فراصوت بازیافت باتری‌های لیتیوم‌یون را کارآمدتر می‌کند

لیتیوم ماده‌ای کمیاب و بسیار ارزشمند است که در باتری‌های پربازده، مانند باتری‌های لیتیوم‌یون، وجود دارد. لیتیوم ارزشمندترین ماده‌ای است که در بازیافت باتری‌های لیتیوم‌یون بازیابی می‌شود، اما سایر مواد معدنی و فلزات، مانند کبالت، منگنز، نیکل، مس و آلومینیوم نیز فلزاتی ارزشمند برای بازیابی هستند. فراصوت‌دهی با شدت بالا به‌عنوان روشی برای ایجاد هم‌زدگی با برش بالا و لیچینگ به کار می‌رود تا مواد معدنی و فلزات ارزشمند از باتری‌های مستعمل استخراج، جدا و حل شوند. روش فراصوت‌دهی بسیار مؤثر است، از نظر مصرف انرژی کارآمد است و تجهیزات آن برای نصب در تأسیسات بازیافت در مقیاس کاملاً تجاری به‌راحتی در دسترس است.

مروری بر فرایند بازیافت باتری‌های لیتیوم‌یون

فرایند بازیافت فلزات و مواد گران‌بها از باتری‌های لیتیوم‌یون مستعمل معمولاً شامل چندین مرحله است. در ادامه، مروری کلی بر این مراحل ارائه می‌شود:

1. جمع‌آوری و دسته‌بندی: باتری‌های لیتیوم‌یون مستعمل جمع‌آوری می‌شوند و بر اساس نوع و ترکیب شیمیایی دسته‌بندی می‌شوند.
2. جداسازی اجزا: ابتدا پوشش پلاستیکی باتری شکسته و برداشته می‌شود. سپس باتری بدون پوشش در نیتروژن مایع قرار می‌گیرد تا مواد واکنش‌پذیر و انفجاری خنثی شوند. این مرحله تضمین می‌کند که از آزاد شدن ناگهانی تمام انرژی ذخیره‌شده و اشتعال و انفجار ناشی از آن جلوگیری شود. سپس باتری‌ها باز می‌شوند تا اجزای مختلف، مانند کاتد، آند، الکترولیت و محفظه، از یکدیگر جدا شوند.
3. خردکردن: باتری‌های بازشده به قطعات کوچک‌تر خرد می‌شوند تا سطح در دسترس برای فرایندهای بعدی افزایش یابد.
4. لایه‌زدایی الکترود: پیش از عملیات استخراج فلز، الکترودهای جداشده، یعنی کاتد و آند، باید بیشتر تفکیک شوند. از آنجا که مادهٔ کاتد معمولاً با یک چسباننده، اغلب پلی‌وینیلیدن فلوراید (PVDF) یا پلی‌تترافلوئورواتیلن (PTFE)، به فویل آلومینیومی چسبیده است، جداکردن کاتد و فویل آلومینیومی از یکدیگر کار دشواری است.
5. تیمار شیمیایی: اجزای خردشدهٔ باتری تحت تیمارهای شیمیایی مختلف قرار می‌گیرند تا مواد گوناگون حل و از هم جدا شوند. این عملیات ممکن است شامل لیچینگ با اسید یا حلال‌های دیگر برای استخراج فلزات ارزشمندی مانند لیتیوم، کبالت، نیکل و مس باشد.
6. بازیابی و خالص‌سازی: سپس فلزات حل‌شده از طریق فرایندهایی مانند رسوب‌دهی، استخراج با حلال یا روش‌های الکتروشیمیایی از محلول بازیابی می‌شوند. این مراحل به خالص‌سازی و تغلیظ فلزات گران‌بها کمک می‌کنند.

بهبود بازیابی فلزات گران‌بها با فراصوت‌دهی

فراصوت پرتوان می‌تواند با تشدید واکنش‌ها، مراحل لایه‌زدایی الکترود و لیچینگ فلزات و مواد گران‌بها را بهبود دهد و در نتیجه فرایند بازیابی را به‌طور چشمگیری کارآمدتر کند. فراصوت‌دهی روشی است که از امواج فراصوت با شدت بالا برای ایجاد ارتعاشات مکانیکی و کاویتاسیون آکوستیکی در یک محیط مایع استفاده می‌کند. نیروهای قوی ناشی از فراصوت‌دهی به چندین شیوه برای بهبود فرایند بازیافت فلزات گران‌بها از باتری‌های لیتیوم‌یون مستعمل به کار می‌روند:
 

1. متلاشی‌سازی: فراصوت‌دهی مواد خردشدهٔ باتری را متلاشی می‌کند تا ذرات کوچک‌تری ایجاد شوند. ذرات کوچک‌تر سطح بیشتری فراهم می‌کنند که لیچینگ شیمیایی را مؤثرتر می‌کند و به آزادسازی فلزات ارزشمند کمک می‌کند.
2. بهبود لیچینگ: به‌کارگیری فراصوت‌دهی در فرایندهای لیچینگ می‌تواند تماس میان مادهٔ جامد و محلول لیچینگ را بهبود دهد و بازده استخراج فلز را افزایش دهد. لیچینگ فراصوتی استخراج فلز را تقویت می‌کند و بازده بازیابی فلزات و مواد معدنی مانند کبالت، منگنز، نیکل، مس و آلومینیوم را افزایش می‌دهد.
3. بهبود لایه‌زدایی الکترود: هدف از لایه‌زدایی الکترود در بازیافت باتری، جداسازی اجزای مختلف، مانند الکترودها، الکترولیت‌ها و جداکننده‌ها است تا هرکدام به‌صورت مستقل تحت فراوری بیشتر قرار گیرند یا بازیافت شوند. فراصوت‌دهی به جداشدن و برداشتن پوشش‌ها از الکترود کمک می‌کند. نیروهای سونومکانیکی، جداسازی کارآمد لایه‌های الکترودها را تسهیل می‌کنند.
4. تسریع واکنش‌ها: فراصوت‌دهی اختلاط سریع‌تر و کامل‌تر را تسهیل می‌کند که می‌تواند واکنش‌های شیمیایی را در مراحل بازیابی و خالص‌سازی فلزات تسریع کند.
5. کاهش مصرف انرژی: فراصوت‌دهی می‌تواند کارایی فرایند را بهبود دهد و زمان و انرژی موردنیاز برای بازیابی فلزات از باتری‌های مستعمل را کاهش دهد.

 
فراصوت‌دهی با افزایش اثربخشی و کارایی مراحل مختلف فرایند بازیافت می‌تواند نقشی سودمند در بهبود بازیافت فلزات و مواد گران‌بها از باتری‌های لیتیوم‌یون مستعمل داشته باشد.
مراحل لیچینگ فراصوتی فلزات و لایه‌زدایی الکترود را می‌توان با هر فرایند بازیافت تطبیق داد؛ این فرایندها ممکن است متفاوت باشند، زیرا شرکت‌های متخصص در بازیافت باتری‌های لیتیوم‌یون، فرایندهای خود را برای دستیابی به بالاترین کارایی توسعه می‌دهند و اصلاح می‌کنند.

کاویتاسیون فراصوتی برای جداسازی کاتد

فراصوت‌دهی با اثرات کاویتاسیون آکوستیکی، مواد کاتد را از فویل آلومینیومی جدا می‌کند. کاویتاسیون آکوستیکی یا فراصوتی با فشارها و دماهای بالای موضعی و افت متعاقب آن‌ها مشخص می‌شود که به‌ترتیب اختلاف فشار و دما، و همچنین ریزآشفتگی‌های شدید و ریزجت‌هایی با برش بالا ایجاد می‌کنند. این نیروهای کاویتاسیونی بر مرزهای سطحی اثر می‌گذارند، انتقال جرم را تقویت می‌کنند و موجب فرسایش می‌شوند. کاویتاسیون فراصوتی با ایجاد چنین نیروهای شدیدی با ماهیت شیمیایی، فیزیکی، حرارتی و مکانیکی، هم‌زدگی و انتقال جرم لازم را برای شکستن ساختار چسبانندهٔ آلی فراهم می‌کند؛ چسباننده‌ای که در باتری‌های لیتیوم‌یون برای تثبیت کاتد روی جمع‌کنندهٔ جریان / فویل آلومینیومی استفاده می‌شود.
در حالی که هم‌زدگی مکانیکی، مانند هم‌زدن به‌تنهایی، برای جداکردن مؤثر مادهٔ کاتد از فویل آلومینیومی کافی نیست، فراصوت‌دهی با شدت بالا انرژی سونوشیمیایی و سونومکانیکی لازم را برای برداشتن کامل مادهٔ کاتد از جمع‌کننده‌های جریان فراهم می‌کند. برخلاف هم‌زدن مکانیکی، کاویتاسیون فراصوتی آشفتگی‌های شدید، دماها و فشارهای بالای موضعی و همچنین هم‌زدگی، جریان و جت‌های مایع ایجاد می‌کند که چسباننده، برای مثال PVDF یا PTFE، را که کاتد را به فویل Al متصل می‌کند، می‌شکنند و سطح هر دو، یعنی کاتد و فویل Al، را فرسایش می‌دهند. در نتیجه، چسبانندهٔ میان دو ماده به‌خوبی تخریب می‌شود و کاتد و فویل آلومینیومی به‌طور مؤثر از هم جدا می‌شوند.
برای مثال، جداسازی فراصوتی با استفاده از N-متیل-2-پیرولیدون (NMP) به‌عنوان حلال در دمای 70°C، به بازده بالای 99% در برداشتن کاتد منجر می‌شود (توان فراصوتی 240 W و زمان پردازش فراصوتی 90 min). از آنجا که جداسازی فراصوتی کاتد، ماده را به‌طور یکنواخت پراکنده می‌کند و از تشکیل کلوخه‌های بزرگ‌تر جلوگیری می‌کند، فرایند بعدی لیچینگ فلز تسهیل می‌شود.
دربارهٔ لایه‌زدایی فراصوتی الکترود برای بازیابی مواد فعال و فویل‌های جمع‌کنندهٔ جریان بیشتر بخوانید!

لیچینگ فراصوتی مواد معدنی

اثرات کاویتاسیونی فراصوتی که در بالا شرح داده شدند، لیچینگ فلزات از باتری‌های مستعمل را نیز تقویت می‌کنند. فراصوت‌دهی با شدت بالا نه‌تنها برای بازیابی مواد معدنی در بازیافت باتری به کار می‌رود، بلکه در هیدرومتالورژی و لیچینگ کانسنگ‌های گران‌بها (برای مثال باطله‌های معدنی) نیز به‌طور گسترده استفاده می‌شود. دماها، فشارها و نیروهای برشی بالای موضعی، لیچینگ فلزات را تشدید می‌کنند و بازده لیچینگ را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند. در حالی که در نقاط داغ کاویتاسیونی، دماهای موضعی بسیار شدید تا 1000 K ایجاد می‌شوند، شرایط کلی لیچینگ تنها به دمای ملایم حدود 50–60°C نیاز دارد. این امر بازیابی فراصوتی فلزات را از نظر مصرف انرژی کارآمد و از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه می‌کند.
لیچینگ فراصوتی مواد معدنی از باتری‌های لیتیوم‌یون مستعمل با نرخ بازیابی و کارایی بالا مشخص می‌شود. برای مثال، اسید سولفوریک (H2SO4) در حضور پراکسید هیدروژن (H2O2)، با موفقیت به‌عنوان عامل لیچینگ در بازیابی فراصوتی مواد معدنی از کاتد استفاده شد. لیچینگ فراصوتی با اسید سولفوریک به نرخ بازیابی 94٫63% برای کبالت و 98٫62% برای لیتیوم منجر شد.
لیچینگ فراصوتی با اسید سیتریک آلی (C6H8O7·H2O) به بازیابی بسیار بالای مس و لیتیوم منجر می‌شود و 96% مس و نزدیک به 100% لیتیوم را از باتری‌های لیتیوم‌یون مستعمل بازیابی می‌کند.

ساده و ایمن: افزایش مقیاس فراصوت از آزمون‌های امکان‌سنجی تا بازیافت صنعتی

تجهیزات فراصوتی پربازده برای بازیافت باتری‌های لیتیوم‌یون، به‌منظور نصب در مقیاس رومیزی، پایلوت و صنعتی به‌راحتی در دسترس هستند. از آنجا که جداسازی فراصوتی کاتد و لیچینگ فراصوتی مواد معدنی از باتری‌های مستعمل، فرایندهایی تثبیت‌شده هستند، مسیر آزمایش‌های اولیه، بهینه‌سازی متناسب با الزامات خاص فرایند شما و نصب یک سامانهٔ کاملاً صنعتی جداسازی و/یا لیچینگ فراصوتی، سریع و ساده است.
دربارهٔ مزایای لیچینگ فراصوتی برای بازیافت پایدار باتری و معدن‌کاری شهری بیشتر بخوانید!

سونیکاتورهای پربازده برای بازیافت باتری

Hielscher Ultrasonics سونیکاتورهای پربازده را در هر اندازه و ظرفیتی عرضه می‌کند. Hielscher با تولید UIP16000 (16kW)، قدرتمندترین پردازشگر فراصوتی جهان را می‌سازد. UIP16000 و همچنین تمام سامانه‌های فراصوتی صنعتی دیگر را می‌توان به‌راحتی به‌صورت مجموعه‌ای به هم متصل کرد تا ظرفیت پردازش موردنیاز فراهم شود. تمام سونیکاتورهای Hielscher برای کارکرد 24/7 تحت بار کامل و در محیط‌های دشوار ساخته شده‌اند.
پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی ایجاد کنند. کارکرد پیوسته با دامنه‌هایی تا 200µm در حالت 24/7 به‌راحتی امکان‌پذیر است. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند.

پروب‌های فراصوتی و راکتورهای فراصوتی برای هر حجم

سبد محصولات Hielscher Ultrasonics طیف کامل پردازشگرهای فراصوتی را در بر می‌گیرد؛ از سونیکاتورهای آزمایشگاهی جمع‌وجور و سامانه‌های رومیزی و پایلوت تا پردازشگرهای فراصوتی کاملاً صنعتی با ظرفیت پردازش چندین محمولهٔ کامیون در ساعت. این سبد کامل محصولات به ما امکان می‌دهد مناسب‌ترین تجهیزات فراصوتی را برای کاربرد، ظرفیت فرایند و اهداف تولید شما ارائه کنیم.

دامنه‌های قابل‌کنترل با دقت بالا برای دستیابی به نتایج بهینه

تمام پردازشگرهای فراصوتی Hielscher با دقت قابل‌کنترل هستند و از این رو ابزارهایی بادوام و قابل‌اعتماد در تحقیق و توسعه و تولید به شمار می‌روند. دامنه یکی از پارامترهای حیاتی فرایند است که بر کارایی و اثربخشی واکنش‌های القاشده به‌صورت سونوشیمیایی و سونومکانیکی تأثیر می‌گذارد. تمام پردازشگرهای Hielscher Ultrasonics امکان تنظیم دقیق دامنه را فراهم می‌کنند. سونوتْرودها و هورن‌های تقویت‌کننده، لوازم جانبی‌ای هستند که تغییر دامنه را در گستره‌ای حتی وسیع‌تر امکان‌پذیر می‌کنند. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی ایجاد کنند و شدت فراصوتی موردنیاز برای کاربردهای دشوار را فراهم سازند. کارکرد پیوسته با دامنه‌هایی تا 200µm در حالت 24/7 به‌راحتی امکان‌پذیر است.
تنظیم دقیق دامنه و پایش دائمی پارامترهای فرایند فراصوتی از طریق نرم‌افزار هوشمند به شما امکان می‌دهد کاتد را از فویل آلومینیومی جدا کنید و همچنین مواد معدنی و فلزات را از باتری‌های لیتیوم‌یون مستعمل، تحت مؤثرترین شرایط فراصوتی لیچ کنید. فراصوت‌دهی بهینه برای کارآمدترین بازیافت باتری‌های لیتیوم‌یون!
استحکام سونیکاتورهای Hielscher، کارکرد 24/7 در شرایط کاری سنگین و محیط‌های دشوار را امکان‌پذیر می‌کند. این ویژگی، سونیکاتورهای Hielscher را به ابزارهایی قابل‌اعتماد تبدیل می‌کند که الزامات فرایند بازیافت شما را برآورده می‌سازند.

بالاترین کیفیت – طراحی و ساخت در آلمان

Hielscher به‌عنوان شرکتی با مالکیت و مدیریت خانوادگی، بالاترین استانداردهای کیفیت را برای پردازشگرهای فراصوتی خود در اولویت قرار می‌دهد. تمام سونیکاتورها در مقر اصلی ما در تلتو، نزدیک برلین در آلمان، طراحی و ساخته می‌شوند و به‌طور کامل آزمایش می‌شوند. استحکام و قابلیت اطمینان تجهیزات فراصوتی Hielscher، آن‌ها را به ابزارهایی بادوام در تولید شما تبدیل می‌کند. کارکرد 24/7 تحت بار کامل و در محیط‌های دشوار، ویژگی ذاتی پروب‌ها و راکتورهای فراصوتی پربازده Hielscher است.

جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:

دانستنی‌های مفید

باتری‌های لیتیوم‌یون چیستند؟

باتری لیتیوم‌یون، که باتری Li-ion نیز نامیده می‌شود، نوعی باتری قابل‌شارژ است. در مقایسه با باتری‌های مبتنی بر سرب و نیکل، باتری‌های لیتیوم‌یون از یک کاتد، یک آند و الکترولیت به‌عنوان رسانا استفاده می‌کنند.
مانند تمام باتری‌ها، باتری‌های لیتیوم‌یون انرژی شیمیایی را ذخیره می‌کنند که سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود تا یک بار الکتریکی ساکن برای تأمین توان فراهم کند.
باتری‌های لیتیوم‌یون معمولاً در تجهیزات الکترونیکی قابل‌حمل، مانند لپ‌تاپ‌ها و تلفن‌های هوشمند، و همچنین خودروهای برقی استفاده می‌شوند. کاربرد باتری‌های لیتیوم‌یون توجه روزافزون بخش نظامی و شرکت‌های هوافضا را نیز به خود جلب می‌کند.