اولتراسونیک برای بازیافت باتری های لیتیوم یونی
- باتری های لیتیوم یونی مورد استفاده در خودروهای الکتریکی به تازگی وارد بازار انبوه شده اند و با آن باید ظرفیت های بازیافت توسعه یابد.
- شستشوی اولتراسونیک یک روش کارآمد و سازگار با محیط زیست برای بازیابی فلزات مانند لیتیم، منیژیم، شرکت، نیکل و غیره از باتری های لیتیوم یون مصرف شده است.
- سیستم های اولتراسونیک صنعتی Hielscher برای کاربردهای شستشو قابل اعتماد و قوی هستند و می توانند به راحتی به کارخانه های بازیافت موجود ادغام شوند.
بازیافت باتری های لیتیوم یونی
باتری های لیتیوم یونی به طور گسترده در وسایل نقلیه الکتریکی (EV)، لپ تاپ ها و تلفن های همراه استفاده می شود. این بدان معناست که باتری های لیتیوم یونی مصرف شده یک چالش فعلی در مورد مدیریت زباله و بازیافت هستند. باتری ها یک محرک اصلی هزینه برای خودروهای برقی هستند و دفع آنها نیز گران است. جنبه های زیست محیطی و اقتصادی برای یک حلقه بازیافت بسته فشار می آورد زیرا ضایعات باتری حاوی مواد ارزشمندی است و به کاهش ردپای کربن تولید باتری های لیتیوم یونی کمک می کند.
بازیافت باتری های لیتیوم یون به منظور اطمینان از در دسترس بودن فلزات خاکی کمیاب و سایر اجزای باتری در آینده و کاهش هزینه های زیست محیطی معدن به یک بخش صنعت پر رونق در حال رشد است.
بازیافت پیرومتالورژی و هیدرومتالورژی در مقابل بازیافت باتری اولتراسونیک
در زیر، ما روش های مرسوم فرآیندهای پیرومتالورژی و هیدرومتالورژی را با تکنیک شستشوی اولتراسونیک در مورد مزایا و معایب مقایسه می کنیم.
معایب بازیافت باتری معمولی
روش های سنتی مورد استفاده برای بازیافت باتری لیتیوم یون شامل فرآیندهای پیرومتالورژی و هیدرومتالورژی است.
روش های پیرومتالورژی شامل فرآیندهای با دمای بالا مانند ذوب یا سوزاندن است. باتری ها در معرض گرمای شدید قرار می گیرند و باعث سوختن اجزای آلی می شوند و اجزای فلزی باقیمانده ذوب و جدا می شوند. با این حال، این روش ها معایبی دارند:
- اثرات زیست محیطی: فرآیندهای پیرومتالورژی انتشار گازهای گلخانه ای مضر و آلاینده ها را در جو آزاد می کنند و به آلودگی هوا کمک می کنند و به طور بالقوه باعث ایجاد خطرات بهداشتی می شوند.
- از دست دادن مواد: فرآیندهای با دمای بالا می توانند منجر به از بین رفتن مواد و فلزات ارزشمند به دلیل تخریب حرارتی شوند و نرخ بازیابی کلی را کاهش دهند.
- انرژی فشرده: این روش ها معمولا به ورودی انرژی قابل توجهی نیاز دارند که هزینه های عملیاتی و ردپای زیست محیطی را افزایش می دهد.
روش های هیدرومتالورژی شامل شستشوی شیمیایی برای حل کردن اجزای باتری و استخراج فلزات ارزشمند است. در حالی که هیدرومتالورژی نسبت به روش های پیرومتالورژی سازگار با محیط زیست است، معایب خاص خود را دارد:
- استفاده شیمیایی: اسیدهای قوی یا سایر مواد شیمیایی خورنده برای شستشو مورد نیاز هستند که نگرانی هایی را در مورد جابجایی شیمیایی، مدیریت زباله و آلودگی بالقوه محیط زیست ایجاد می کند.
- چالش های گزینش: دستیابی به آبشویی انتخابی فلزات مورد نظر می تواند دشوار باشد و منجر به کاهش نرخ بازیابی و از دست دادن بالقوه منابع ارزشمند شود.
مزایای شستشوی باتری اولتراسونیک نسبت به تکنیک های معمولی
هنگامی که در مقایسه با هر دو ، تکنیک های بازیافت پیرومتالورژی و هیدرومتالورژی ، تکنیک بازیافت باتری اولتراسونیک به دلیل مزایای مختلف از رقابت پیشی می گیرد:
- بهره وری پیشرفته: فراصوت مافوق صوت می تواند تجزیه مواد باتری را تسریع کند و در نتیجه زمان پردازش کوتاه تر و بهره وری کلی بالاتر را افزایش دهد.
- نرخ بهبودی بهبود یافته: کاربرد کنترل شده کاویتاسیون اولتراسونیک باعث افزایش تجزیه اجزای باتری می شود و میزان بازیابی فلزات ارزشمند را افزایش می دهد.
- سازگار با محیط زیست: بازیافت اولتراسونیک وابستگی به دماهای بالا و مواد شیمیایی خشن را کاهش می دهد ، اثرات زیست محیطی را به حداقل می رساند و انتشار آلاینده ها را کاهش می دهد.
- شستشوی انتخابی: کاربرد کنترل شده سونوگرافی امکان ایجاد اختلال هدفمند در اجزای خاص درون باتری را فراهم می کند و آنها را به طور موثر جدا می کند. از آنجا که ترکیبات مختلف باتری قابل بازیافت حذف می شوند و تحت شدت های اولتراسونیک خاص حل می شوند ، پارامترهای پردازش بهینه شده امکان شستشوی انتخابی مواد جداگانه را فراهم می کند. این امر جداسازی کارآمد فلزات و مواد ارزشمند را تسهیل می کند.
- کاهش مصرف انرژی: در مقایسه با هر دو، هیدرومتالورژی و به ویژه به روش های پیرومتالورژی، بازیافت اولتراسونیک به طور کلی انرژی کارآمدتر است، که منجر به کاهش هزینه های عملیاتی و کاهش ردپای کربن می شود.
- مقیاس پذیری و انعطاف پذیری: سیستم های اولتراسونیک را می توان به راحتی افزایش یا کاهش داد تا اندازه های مختلف باتری و ظرفیت های تولید را در خود جای دهد. علاوه بر این، مافوق صوت برای بازیافت باتری را می توان به راحتی به امکانات بازیافت باتری موجود ادغام کرد. به راحتی در مقیاس های مختلف قدرت و لوازم جانبی تطبیق مانند پروب های اولتراسونیک و راکتورهای سلول جریان، ultrasonicators می تواند اجزای باتری اندازه های مختلف و ظرفیت های تولید را اداره کند، ارائه مقیاس پذیری و سازگاری در فرآیندهای بازیافت.
- ادغام هم افزایی: شستشوی اولتراسونیک را می توان به خطوط بازیافت باتری هیدرومتالورژی موجود به منظور تشدید و بهبود شستشوی هیدرومتالورژی فلزات و مواد با ارزش از باتری های لیتیوم یون مصرف شده ادغام کرد.
به طور کلی، بازیافت باتری اولتراسونیک نشان می دهد نوید به عنوان یک روش سازگار با محیط زیست، کارآمد، و انتخابی در مقایسه با روش های سنتی پیرومتالورژی و هیدرومتالورژی.
شستشوی اولتراسونیک صنعتی برای بازیابی فلز از باتری های مصرف شده
شستشوی اولتراسونیک و استخراج فلز را می توان به فرآیندهای بازیافت باتری های لیتیوم اکسید کبالت (به عنوان مثال از لپ تاپ ها، گوشی های هوشمند و غیره) و همچنین باتری های پیچیده لیتیوم-نیکل-منگنز-کبالت (به عنوان مثال از وسایل نقلیه الکتریکی) استفاده کرد.
سونوگرافی با قدرت بالا به دلیل توانایی آن در پردازش مایعات شیمیایی و دوغاب به منظور بهبود انتقال جرم و شروع واکنش های شیمیایی شناخته شده است.
اثرات شدید قدرت فراصوت بر اساس پدیده حفره صوتی است. با اتصال اولتراسوند با قدرت بالا به مایعات / دوغاب، امواج متناوب کم فشار و فشار بالا در مایعات حباب های خلاء کوچک تولید می کنند. حفره های خلاء کوچک در چرخه های مختلف فشار کم / فشار بالا رشد می کنند تا زمانی که به شدت منفجر شوند. حباب های خلاء در حال فروپاشی را می توان به عنوان میکروراکتورهایی در نظر گرفت که در آنها دمای حداکثر 5000 کلوین ، فشار تا 1000 اتمسفر و نرخ گرمایش و سرمایش بالای 10-10 اتفاق می افتد. علاوه بر این، نیروهای برشی هیدرودینامیکی قوی و جت های مایع با سرعت تا 280 متر بر ثانیه تولید می شوند. این شرایط شدید حفره صوتی شرایط فیزیکی و شیمیایی فوق العاده ای را در مایعات سرد ایجاد می کند و محیط مفیدی را برای واکنش های شیمیایی ایجاد می کند (به اصطلاح آوا شیمی).
مزیت بزرگ شستشوی اولتراسونیک و بازیابی فلز کنترل دقیق بر پارامترهای فرآیند مانند دامنه، فشار و دما است. این پارامترها اجازه می دهد تا شرایط واکنش را دقیقا با محیط فرآیند و خروجی مورد نظر تنظیم کنید. علاوه بر این، شستشوی اولتراسونیک حتی کوچکترین ذرات فلزی را از بستر حذف می کند، در حالی که ریزساختارها را حفظ می کند. بازیابی فلز پیشرفته به دلیل ایجاد اولتراسونیک سطوح بسیار واکنشی، افزایش سرعت واکنش و بهبود حمل و نقل انبوه است. فرآیندهای فراصوت را می توان با تأثیرگذاری بر هر پارامتر بهینه کرد و بنابراین نه تنها بسیار موثر بلکه بسیار کارآمد است.
کنترل دقیق پارامتر و بهره وری انرژی آن باعث می شود که شستشوی اولتراسونیک تکنیک مطلوب و عالی باشد – به خصوص در مقایسه با تکنیک های پیچیده شستشوی اسید و شلاتیون.
بازیابی اولتراسونیک LiCoOH2S از باتری های لیتیوم یونی مصرف شده
امواج فراصوت کمک به شستشوی کاهنده و بارش شیمیایی، که استفاده می شود برای بازیابی لی به عنوان لیH2Sشرکت3 و شرکت به عنوان Co (OH)H2S از باتری های لیتیوم یون زباله.
ژانگ و همکاران (2014) بازیابی موفقیت آمیز LiCoO را گزارش می دهندH2S با استفاده از راکتور اولتراسونیک. به منظور تهیه محلول اولیه 600 میلی لیتر، 10 گرم LiCoO نامعتبر قرار دادندH2S پودر در یک لیوان و اضافه کردن 2.0mol/L محلول LiOH که مخلوط شدند.
مخلوط در تابش اولتراسونیک ریخته شد و دستگاه همزن شروع به کار کرد، دستگاه همزن در داخل ظرف واکنش قرار گرفت. تا دمای 120 درجه سانتیگراد گرم شد و سپس دستگاه اولتراسونیک روی 800 وات تنظیم شد و حالت عمل اولتراسونیک روی چرخه های کاری پالسی 5 ثانیه تنظیم شد. تابش اولتراسونیک به مدت 6 ساعت اعمال شد و سپس مخلوط واکنش تا دمای اتاق خنک شد. باقیمانده جامد چندین بار با آب دیونیزه شسته شد و در دمای 80 درجه سانتی گراد تا وزن ثابت خشک شد. نمونه به دست آمده برای آزمایش های بعدی و تولید باتری جمع آوری شد. ظرفیت شارژ در سیکل اول 134.2 میلی آمپر ساعت بر گرم و ظرفیت تخلیه 133.5 میلی آمپر ساعت بر گرم است. راندمان شارژ و دشارژ بار اول 5/99 درصد بود. پس از 40 چرخه، ظرفیت تخلیه هنوز 132.9 میلی آمپر ساعت در گرم است (ژانگ و همکاران 2014)
شستشوی اولتراسونیک با اسیدهای آلی مانند اسید سیتریک نه تنها موثر بلکه سازگار با محیط زیست است. تحقیقات نشان داد که شستشوی کبالت و لیتیوم با اسید سیتریک نسبت به اسیدهای معدنی H کارآمدتر است2SO4 و HCl. بیش از 96 درصد Co و نزدیک به 100٪ Li از باتری های لیتیوم یونی مصرف شده بازیابی شد. این واقعیت که اسیدهای آلی مانند اسید سیتریک و اسید استیک ارزان و زیست تخریب پذیر هستند، به مزایای اقتصادی و زیست محیطی بیشتر فراصوت کمک می کند.
اولتراسونیک صنعتی با قدرت بالا برای شستشوی فلز از باتری های مصرف شده
Hielscher مافوق صوت تامین کننده با تجربه طولانی خود را برای سیستم های مافوق صوت بسیار کارآمد و قابل اعتماد است، که ارائه قدرت مورد نیاز برای شستشوی فلزات از مواد زائد. به منظور پردازش مجدد باتری های لیتیوم یون با استخراج فلزاتی مانند کبالت، لیتیوم، نیکل و منگنز، سیستم های اولتراسونیک قدرتمند و قوی ضروری هستند. واحدهای صنعتی مافوق صوت Hielscher مانند UIP4000hdT (4kW) ، UIP6000hdT (6kW) ، UIP10000 (10kW) و UIP16000 (16kW) قدرتمندترین و قوی ترین سیستم های سونوگرافی با کارایی بالا در بازار هستند. تمام واحدهای صنعتی ما را می توان به طور مداوم با دامنه های بسیار بالا تا 200 میکرومتر در عملیات 24/7 کار کرد. برای دامنه های حتی بالاتر ، سونوترودهای اولتراسونیک سفارشی در دسترس هستند. استحکام تجهیزات اولتراسونیک Hielscher اجازه می دهد تا برای عملیات 24/7 در وظیفه سنگین و در محیط های خواستار. Hielscher تامین sonotrodes ویژه و راکتورها برای درجه حرارت بالا, فشار و مایعات خورنده, هم. این باعث می شود مافوق صوت صنعتی ما مناسب ترین برای تکنیک های متالورژی استخراجی، به عنوان مثال درمان هیدرومتالورژی.
جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی مافوق صوت ما می دهد:
حجم دسته ای | نرخ جریان | دستگاه های توصیه شده |
---|---|---|
0.1 تا 20 لیتر | 0.2 تا 4 لیتر در دقیقه | UIP2000hdT |
10 تا 100 لیتر | 2 تا 10 لیتر در دقیقه | UIP4000hdT |
20 تا 200 لیتر | 4 تا 20 لیتر در دقیقه | UIP6000hdT |
ن.ا. | 10 تا 100 لیتر در دقیقه | UIP16000 |
ن.ا. | بزرگتر | خوشه ای از UIP16000 |
حقایقی که ارزش دانستن دارند
باتری های لیتیوم یونی
باتری های لیتیوم یونی (LIB) اصطلاح جمعی باتری های (قابل شارژ) است که چگالی انرژی بالایی را ارائه می دهد و اغلب در لوازم الکترونیکی مصرفی مانند خودروهای الکترونیکی، خودروهای هیبریدی، لپ تاپ ها، تلفن های همراه، آی پاد و غیره ادغام می شوند. در مقایسه با سایر انواع باتری های قابل شارژ با اندازه و ظرفیت مشابه، LIB ها به طور قابل توجهی سبک تر هستند.
برخلاف باتری اولیه لیتیوم یکبار مصرف، یک LIB از ترکیب لیتیوم مقطعی به جای لیتیوم فلزی به عنوان الکترود خود استفاده می کند. اجزای اصلی باتری لیتیوم یونی الکترودهای آن هستند – آند و کاتد – و الکترولیت.
اکثر سلول ها از نظر الکترولیت، جداکننده، فویل ها و پوشش اجزای مشترکی دارند. تفاوت عمده بین فناوری های سلولی در مواد مورد استفاده به عنوان است “مواد فعال” مانند کاتد و آند. گرافیت پرکاربردترین ماده ای است که به عنوان آند استفاده می شود، در حالی که کاتد از LiMO2 لایه ای (M = Mn، Co و Ni)، اسپینل LiMn ساخته شده است.H2SO4، یا الیوین LiFePO4. الکترولیت های مایع آلی الکترولیت (به عنوان مثال، LiPF6 نمک حل شده در مخلوطی از حلال های آلی مانند اتیلن کربنات (EC)، دی متیل کربنات (DMC)، دی اتیل کربنات (DEC)، اتیل متیل کربنات (EMC) امکان حرکت یونی را فراهم می کند.
بسته به مواد الکترود مثبت (کاتد) و منفی (آند)، چگالی انرژی و ولتاژ LIB ها به ترتیب متفاوت است.
هنگامی که در وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود، اغلب از باتری خودروهای الکتریکی (EVB) یا باتری کششی استفاده می شود. از چنین باتری های کششی در لیفتراک ها، چرخ دستی های گلف برقی، اسکرابر های کف، موتورسیکلت های برقی، ماشین های الکتریکی، کامیون ها، وانت ها و سایر وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود.
بازیافت فلز از باتری های لیتیوم یونی مصرف شده
در مقایسه با انواع دیگر باتری هایی که اغلب حاوی سرب یا کادمیوم هستند، باتری های لیتیوم یون حاوی فلزات سمی کمتری هستند و بنابراین سازگار با محیط زیست در نظر گرفته می شوند. با این حال، مقدار زیادی از باتری های لیتیوم یونی مصرف شده، که باید به عنوان باتری های مصرف شده از خودروهای الکتریکی دور ریخته شوند، مشکل زباله را ایجاد می کند. بنابراین، یک حلقه بازیافت بسته باتری های لیتیوم یون ضروری است. از نظر اقتصادی، عناصر فلزی مانند آهن، مس، نیکل، کبالت و لیتیوم را می توان در تولید باتری های جدید بازیابی و مورد استفاده مجدد قرار داد. بازیافت می تواند از کمبود آینده نیز جلوگیری کند.
اگرچه باتری هایی با بارگذاری نیکل بالاتر وارد بازار می شوند، اما امکان تولید باتری بدون کبالت وجود ندارد. محتوای نیکل بالاتر هزینه دارد: با افزایش محتوای نیکل، پایداری باتری کاهش می یابد و در نتیجه عمر چرخه و توانایی شارژ سریع آن کاهش می یابد.
فرآیند بازیافت
باتری های خودروهای الکتریکی مانند تسلا رودستر دارای عمر تقریبی 10 سال هستند.
بازیافت باتری های لیتیوم یون فرسوده یک فرآیند سخت است زیرا ولتاژ بالا و مواد شیمیایی خطرناک در آن دخیل هستند که با خطرات فرار حرارتی، برق گرفتگی و انتشار مواد خطرناک همراه است.
برای ایجاد بازیافت حلقه بسته ، هر پیوند شیمیایی و همه عناصر باید به کسرهای جداگانه خود جدا شوند. با این حال، انرژی مورد نیاز برای چنین بازیافت حلقه بسته بسیار گران است. با ارزش ترین مواد برای بازیافت فلزاتی مانند نیکل، شرکت، مس، لی و غیره هستند زیرا استخراج گران قیمت و قیمت بالای بازار قطعات فلزی، بازیافت را از نظر اقتصادی جذاب می کند.
فرآیند بازیافت باتری های لیتیوم یون با برچیدن و تخلیه باتری ها آغاز می شود. قبل از باز کردن باتری، برای غیرفعال کردن مواد شیمیایی موجود در باتری، غیرفعال شدن لازم است. غیرفعال سازی را می توان با انجماد برودتی یا اکسیداسیون کنترل شده به دست آورد. بسته به اندازه باتری، باتری ها را می توان از بین برد و تا سلول جدا کرد. پس از برچیدن و خرد کردن، اجزا به روش های مختلفی (مانند غربالگری، الک، چیدن دستی، جداسازی مغناطیسی، مرطوب و بالستیک) جدا می شوند تا پوسته های سلولی، آلومینیوم، مس و پلاستیک از پودر الکترود حذف شوند. جداسازی مواد الکترود برای فرآیندهای پایین دستی، به عنوان مثال درمان هیدرومتالورژی، ضروری است.
پیرولیز
برای پردازش پیرولیتیک، باتری های خرد شده در کوره ای ذوب می شوند که در آن سنگ آهک به عنوان عامل تشکیل دهنده سرباره اضافه می شود.
فرآیندهای هیدروترمال
فرآوری هیدرومتالورژی بر اساس واکنش های اسیدی به منظور رسوب نمک ها به عنوان فلزات است. فرآیندهای هیدرومتالورژی معمولی شامل شستشو ، بارش ، تبادل یونی ، استخراج حلال و الکترولیز محلول های آبی است.
مزیت فرآوری هیدروترمال بازده بازیابی بالای 95+ درصد نیکل و کبالت به عنوان نمک است، 90+ درصد لیتیوم را می توان رسوب داد و بقیه را می توان تا 80+ درصد بازیابی کرد.
به خصوص کبالت یک جزء حیاتی در کاتدهای باتری لیتیوم یون برای کاربردهای انرژی و انرژی بالا است.
خودروهای هیبریدی فعلی مانند تویوتا پریوس از باتری های هیدرید نیکل متال استفاده می کنند که به روشی مشابه باتری های لیتیوم یون برچیده، تخلیه و بازیافت می شوند.
ادبیات/منابع
- Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): Recovery of lithium and cobalt from spent lithium-ion batteries using organic acids: Process optimization and kinetic aspects. Waste Management 64, 2017. 244–254.
- Shin S.-M.; Lee D.-W.; Wang J.-P. (2018): Fabrication of Nickel Nanosized Powder from LiNiO2 from Spent Lithium-Ion Battery. Metals 8, 2018.
- Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO2 from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
- Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Recovery of Lithium Cobalt Oxide Material from the Cathode of Spent Lithium-Ion Batteries. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.