• Sähköautoissa käytetyt litiumioniakut ovat juuri nyt tulossa massamarkkinoille ja sen kanssa on kehitettävä kierrätyskapasiteettia.
• Ultraäänipesu on tehokas, ympäristöystävällinen tekniikka metallien kuten Li, Mg, Co, Ni jne. Talteen ottamiseksi käytetyistä Li-ion-akkuista.
• Hielscherin teolliset ultraäänijärjestelmät liuotussovelluksiin ovat luotettavia ja kestäviä ja ne voidaan helposti integroida olemassa oleviin kierrätyslaitoksiin.

Litiumioniakkujen kierrätys

Litium-ioni-akut ovat laajalti käytössä sähkö ajoneuvoissa (EV), kannettavat tieto koneet ja matka puhelimet. Tämä tarkoittaa sitä, että käytetyt Litiumioniakut ovat nykyinen haaste jäte huoltoon ja kierrätykseen liittyen. Akut ovat tärkeä kustannus tekijä vapaaehtoisille, ja niiden hävittäminen on kallista. Ympäristölliset ja taloudelliset näkö kohdat työntävät suljettua kierrätys silmukkaa, koska akku jäte sisältää arvokkaita materiaaleja ja auttaa vähentämään litiumioniakkujen valmistuksen hiili jalan jälkeä.
Li-ion-paristojen kierrätys kasvaa kukoistavaksi teollisuudenalaksi, jotta voidaan varmistaa harvinaisten maametallien ja muiden akkujen saatavuus tulevaisuudessa ja kaivostoiminnan ympäristökustannusten vähentäminen.

Pyrometallurginen ja hydrometallurginen kierrätys vs. ultraääniparistojen kierrätys

Seuraavassa verrataan pyrometallurgisten ja hydrometallurgisten prosessien tavanomaisia menetelmiä ultraääniuuttotekniikkaan etujen ja haittojen suhteen.

Perinteisen paristojen kierrätyksen haitat

Perinteisiä litiumioniakkujen kierrätyksessä käytettyjä menetelmiä ovat pyrometallurgiset ja hydrometallurgiset prosessit.
 
Pyrometallurgiset menetelmät sisältävät korkean lämpötilan prosesseja, kuten sulatuksen tai polton. Paristot altistuvat äärimmäiselle kuumuudelle, jolloin orgaaniset komponentit palavat, ja loput metallikomponentit sulavat ja erotetaan. Näillä menetelmillä on kuitenkin joitain haittoja:

• Ympäristövaikutus: Pyrometallurgiset prosessit vapauttavat haitallisia päästöjä ja epäpuhtauksia ilmakehään, mikä lisää ilmansaasteita ja voi aiheuttaa terveysriskejä.
• Materiaalien menetys: Korkean lämpötilan prosessit voivat johtaa arvokkaiden materiaalien ja metallien menetykseen lämpöhajoamisen vuoksi, mikä vähentää kokonaistalteenottoastetta.
• Energiaintensiivinen: Nämä menetelmät vaativat tyypillisesti merkittävää energiansyöttöä, mikä lisää käyttökustannuksia ja ympäristöjalanjälkeä.

 
Hydrometallurgiset menetelmät sisältää kemiallista liuotusta akun komponenttien liuottamiseksi ja arvokkaiden metallien uuttamiseksi. Vaikka hydrometallurgia on ympäristöystävällisempi kuin pyrometallurgiset menetelmät, sillä on omat haittapuolensa:

• Kemiallinen käyttö: Liuotukseen tarvitaan vahvoja happoja tai muita syövyttäviä kemikaaleja, mikä herättää huolta kemikaalien käsittelystä, jätehuollosta ja mahdollisesta ympäristön saastumisesta.
• Selektiivisyyden haasteet: Haluttujen metallien valikoivan liuotuksen saavuttaminen voi olla vaikeaa, mikä johtaa alhaisempiin talteenottoasteisiin ja arvokkaiden resurssien mahdolliseen menetykseen.

 

Ultraääniakun uuttumisen edut tavanomaisiin tekniikoihin verrattuna

Verrattuna molempiin pyrometallurgisiin ja hydrometallurgisiin kierrätystekniikoihin, ultraääniparistojen kierrätystekniikka kilpailee erilaisten etujen vuoksi:

1. Parannettu tehokkuus: Ultraäänisonikaatio voi nopeuttaa akkumateriaalien hajoamista, mikä johtaa lyhyempiin käsittelyaikoihin ja suurempaan kokonaistehokkuuteen.
2. Paremmat palautumisasteet: Ultraäänikavitaation hallittu käyttö parantaa akun komponenttien hajoamista ja lisää arvokkaiden metallien talteenottoastetta.
3. Ympäristöystävällinen: Ultraäänikierrätys vähentää riippuvuutta korkeista lämpötiloista ja kovista kemikaaleista, minimoi ympäristövaikutukset ja vähentää epäpuhtauksien päästöjä.
4. Valikoiva liuotus: Ultraäänen hallittu käyttö mahdollistaa akun tiettyjen komponenttien kohdennetun häiriön erottamalla ne tehokkaasti. Koska erilaiset kierrätettävät akkuyhdisteet poistetaan liuenneena tietyillä ultraääniintensiteeteillä, optimoidut käsittelyparametrit mahdollistavat yksittäisten materiaalien valikoivan huuhtounnin. Tämä helpottaa arvokkaiden metallien ja materiaalien tehokasta erottelua.
5. Pienempi energiankulutus: Verrattuna sekä hydrometallurgisiin että erityisesti pyrometallurgisiin menetelmiin, ultraäänikierrätys on yleensä energiatehokkaampaa, mikä johtaa alhaisempiin käyttökustannuksiin ja pienempään hiilijalanjälkeen.
6. Skaalautuvuus ja joustavuus: Ultraäänijärjestelmiä voidaan helposti skaalata ylös tai alas eri akkukokojen ja tuotantokapasiteetin mukaan. Lisäksi paristojen kierrätykseen tarkoitetut ultraäänilaitteet voidaan helposti integroida jo olemassa oleviin paristojen kierrätyslaitoksiin. Helposti saatavilla eri tehoasteikoilla ja vastaavilla lisävarusteilla, kuten ultraääniantureilla ja virtauskennoreaktoreilla, ultraäänilaitteet voivat käsitellä paristokomponentteja erikokoisia ja tuotantokapasiteetteja, mikä tarjoaa skaalautuvuutta ja sopeutumiskykyä kierrätysprosesseissa.
7. Synergistinen integraatio: Ultraääniuutto voidaan integroida olemassa oleviin hydrometallurgisten akkujen kierrätyslinjoihin arvokkaiden metallien ja materiaalien hydrometallurgisen huuhtoutumisen tehostamiseksi ja parantamiseksi käytetyistä litiumioniakuista.

Kaiken kaikkiaan ultraääniparistojen kierrätys näyttää lupaavalta ympäristöystävällisemmältä, tehokkaammalta ja valikoivammalta menetelmältä verrattuna perinteisiin pyrometallurgisiin ja hydrometallurgisiin lähestymistapoihin.

 

Teollinen ultraääniuutto metallien talteenottoon käytetyistä paristoista

Ultraäänipesua ja metallinpoistoa voidaan käyttää litiumkobolttioksidiparistojen (esim. Kannettaviin tietokoneisiin, älypuhelimiin jne.) Sekä monimutkaisiin litium-nikkeli-mangaani-kobolttiparistoihin (esim. Sähköajoneuvot) kierrätykseen.
Suuritehoinen ultraääni tunnetaan hyvin siitä, että se kykenee käsittelemään kemiallisia nesteitä ja lietteitä parantamaan massan siirtoa ja käynnistämään kemiallisia reaktioita.
Voimajohdannaisen voimakkaat vaikutukset perustuvat akustisen kavitaation ilmiöön. Yhdistämällä suuritehoinen ultraääni nesteiksi / lietteiksi vaihtelevat matalapaine- ja korkeapaineiset aallot nesteissä tuottavat pieniä tyhjökuplia. Pienet tyhjiöpuristeet kasvavat eri matalapaineisissa / korkeapaineisissa sykleissä, kunnes implode väkivaltaisesti. Tiivistyviä tyhjökuplia voidaan pitää mikroreaktoreina, joissa lämpötiloissa on enintään 5000 K, paineita, jotka ovat korkeintaan 1000 mt, ja lämmitys- ja jäähdytysnopeudet yli 10^-10 sattua. Lisäksi syntyy voimakkaita hydrodynaamisia leikkausvoimia ja nestemäisiä suihkuja, joiden nopeus on jopa 280 m / s. Nämä akustisen kavitaation äärimmäiset olosuhteet luovat poikkeuksellisia fysikaalisia ja kemiallisia olosuhteita muuten kylmissä nesteissä ja luovat suotuisan ympäristön kemiallisille reaktioille (ns. sonokemian).

Ultrasonomaisesti muodostunut kavitaatio voi indusoida liuosten termolyysiä sekä erittäin reaktiivisten radikaalien ja reagenssien muodostumista, kuten vapaita radikaaleja, hydroksidi-ioneja (OH,) hydronia (H₃O +) jne., Jotka tarjoavat ylimääräisiä reaktiivisia olosuhteita nesteeseen niin, että reaktioaste kasvaa merkittävästi. Nestemäiset suuttimet kiihdyttävät kiinteitä aineita, kuten hiukkaset, ja ne jauhetaan hiukkasilla ja hankauksella, mikä lisää aktiivista pinta-alaa ja siten massansiirtoa.
Ultrasuuren huuhtoutumisen ja metallin talteenoton suuri etu on tarkka ohjaus prosessiparametreihin, kuten amplitudi, paine ja lämpötila. Näillä parametreilla voidaan säätää reaktio-olosuhteet täsmälleen prosessiväliaineeseen ja kohdennetulle tuotokselle. Lisäksi ultraäänipesu poistaa pienimmistä metallihiukkasista substraatin, samalla kun säilytetään mikrorakenteita. Parannettu metallin talteenotto johtuu erittäin reaktiivisten pintojen ultraäänestä, lisääntyneistä reaktioasteista ja parantuneesta massakuljetuksesta. Sonikaatioprosessit voidaan optimoida vaikuttamalla jokaiseen parametriin, eivätkä näin ollen ole ainoastaan ​​erittäin tehokkaita, vaan myös erittäin energiatehokkaita.
Sen tarkka parametrien säätö ja energiatehokkuus tekevät ultraäänisestä huuhtoutumisesta suotuisan ja erinomaisen tekniikan – etenkin verrattuna monimutkaisiin hapon huuhtoutumiseen ja kelatointitekniikoihin.

LiCoO: n ultraäänen talteenotto₂ käytetyistä litiumioniakkuista

Ultrasonication auttaa pelkistävää liuotusta ja kemiallista saostumista, joita käytetään palauttamaan Li Li₂co₃ ja Co, kuten Co (OH)₂ litium-ioniakkujen jätteistä.
Zhang et ai. (2014) raportoivat LiCoO: n onnistuneesta elpymisestä₂ käyttäen ultraäänireaktoria. 600 ml: n lähtöliuoksen valmistamiseksi ne laittoivat 10 g virheellistä LiCoO: ta₂ jauhetta dekantterilasiin ja lisättiin 2,0 mol / l LiOH-liuosta, jotka sekoitettiin.
Seos kaadettiin ultraääni- säteilytykseen ja sekoituslaite alkoi, sekoituslaite sijoitettiin reaktiosäiliön sisään. Se lämmitettiin 120 ° C: seen, ja sitten Ultraäänilaite asetettiin 800 W: iin ja ultraääni-toimintatila asetettiin 5 sekunnin pulssiin. ON / 2sec. POIS PÄÄLTÄ. Ultraääni säteilytystä levitettiin 6 tuntia ja sitten reaktioseos jäähdytettiin huoneenlämpötilaan. Kiinteä jäännös pestiin useita kertoja deionisoidulla vedellä ja kuivattiin 80 ° C: ssa vakiopainoon saakka. Saatu näyte kerättiin myöhempää testausta ja akun tuotantoa varten. Ensimmäisen syklin latauskapasiteetti on 134.2mAh / g ja purkauskapasiteetti 133.5mAh / g. Ensimmäinen lataus- ja purkukehitys oli 99,5%. 40 syklin jälkeen purkukapasiteetti on edelleen 132.9mAh / g. (Zhang et ai., 2014)
 

 
Ultraääniuutto orgaanisilla hapoilla, kuten sitruunahapolla, ei ole vain tehokasta, vaan myös ympäristöystävällistä. Tutkimuksissa havaittiin, että Co: n ja Li: n huuhtoutuminen on tehokkaampaa sitruunahapolla kuin epäorgaanisilla hapoilla H2SO4 ja HCl. Yli 96% Co ja lähes 100% Li otettiin talteen käytetyistä litiumioniakuista. Se, että orgaaniset hapot, kuten sitruunahappo ja etikkahappo, ovat edullisia ja biohajoavia, edistävät sonikoinnin taloudellisia ja ympäristöetuja.

Suuritehoinen teollinen ultraääni metallin uuttoon käytetyistä paristoista

Hielscher Ultrasonics on pitkäaikainen kokenut toimittaja erittäin tehokkaille ja luotettaville ultraäänijärjestelmille, jotka tuottavat tarvittavan tehon metallien liuottamiseksi jätemateriaaleista. Li-ion-akkujen uudelleenkäsittelemiseksi uuttamalla metalleja, kuten kobolttia, litiumia, nikkeliä ja mangaania, tehokkaat ja kestävät ultraäänijärjestelmät ovat välttämättömiä. Hielscher Ultrasonics teollisuusyksiköt, kuten UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) ja UIP16000 (16kW) ovat markkinoiden tehokkaimpia ja kestävimpiä korkean suorituskyvyn ultraäänijärjestelmiä. Kaikkia teollisuusyksiköitämme voidaan käyttää jatkuvasti erittäin suurilla, jopa 200 μm:n amplitudilla 24/7 käytössä. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa 24/7 toiminnan raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä. Hielscher toimittaa erityisiä sonotrodeja ja reaktoreita myös korkeisiin lämpötiloihin, paineisiin ja syövyttäviin nesteisiin. Tämä tekee teollisista ultraäänilaitteistamme sopivimpia kaivannaismetallurgian tekniikoihin, esimerkiksi hydrometallurgisiin hoitoihin.

Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

---

---

Kirjallisuus / Viitteet

• 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.