Ultrasonics litiumioniakkujen kierrätykseen

• Sähköautoissa käytettävät litiumioniakut ovat vasta tulossa massamarkkinoille ja sen myötä kierrätyskapasiteettia on kehitettävä.
• Ultraääniuutto on tehokas, ympäristöystävällinen tekniikka metallien, kuten Li, Mg, Co, Ni jne., Talteenottamiseksi käytetyistä Li-ion-akuista.
• Hielscherin teolliset ultraäänijärjestelmät liuotussovelluksiin ovat luotettavia ja kestäviä ja ne voidaan helposti integroida olemassa oleviin kierrätyslaitoksiin.

Litiumioniakkujen kierrätys

Litiumioniakkuja käytetään laajalti sähköajoneuvoissa (EV), kannettavissa tietokoneissa ja matkapuhelimissa. Tämä tarkoittaa, että käytetyt litiumioniakut ovat ajankohtainen haaste jätehuollossa ja kierrätyksessä. Akut ovat merkittävä kustannustekijä sähköautoille, ja niiden hävittäminen on myös kallista. Ympäristö- ja taloudelliset näkökohdat edellyttävät suljettua kierrätyskiertoa, koska akkujäte sisältää arvokkaita materiaaleja ja auttaa vähentämään litiumioniakkujen valmistuksen hiilijalanjälkeä.
Li-ion-akkujen kierrätys kasvaa kukoistavaksi teollisuudenalaksi, jotta voidaan varmistaa harvinaisten maametallien ja muiden akkukomponenttien saatavuus tulevaisuudessa ja vähentää kaivostoiminnan ympäristökustannuksia.

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 merkittävän energiapanoksen, mikä lisää käyttökustannuksia ja ympäristöjalanjälkeä.

 
Hydrometallurgiset menetelmät sisältää kemiallisen liuotuksen 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 mahdollisesti arvokkaiden resurssien 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 metallin talteenottoon käytetyistä paristoista

Ultraääniuuttoa ja metallin uuttamista voidaan soveltaa litiumkobolttioksidiparistojen kierrätysprosesseihin (esim. kannettavista tietokoneista, älypuhelimista jne.) sekä monimutkaisista litium-nikkeli-mangaani-kobolttiparistoista (esim. sähköajoneuvoista).
Suuritehoinen ultraääni on tunnettu kyvystään käsitellä kemiallisia nesteitä ja lietteitä massansiirron parantamiseksi ja kemiallisten reaktioiden aloittamiseksi.
Tehon ultrasonicationin voimakkaat vaikutukset perustuvat akustisen kavitaation ilmiöön. Kytkemällä suuritehoinen ultraääni nesteisiin / lietteisiin, nesteiden vuorottelevat matalapaine- ja korkeapaineaallot tuottavat pieniä tyhjiökuplia. Pienet tyhjiöaukot kasvavat erilaisten matalapaine- / korkeapainesyklien aikana, kunnes implode voimakkaasti. Romahtavia tyhjiökuplia voidaan pitää mikroreaktoreina, joissa lämpötila on jopa 5000K, paine jopa 1000atm ja lämmitys- ja jäähdytysnopeus 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. Sonokemia).

LiCoO: n ultraääni elpyminen₂ käytetyistä litiumioniakuista

Ultrasonication auttaa pelkistävää huuhtoutumista ja kemiallista saostumista, joita käytetään Li: n palauttamiseen Li: nä₂CO₃ ja Co as Co (OH)₂ käytetyistä litiumioniakuista.
(2014) raportoivat LiCoO: n onnistuneesta elpymisestä₂ käyttämällä ultraäänireaktoria. 600 ml: n lähtöliuoksen valmistamiseksi he asettivat 10 g virheellistä LiCoO: ta₂ jauhetta dekantterilasissa ja lisättiin 2,0mol/l LiOH-liuosta, jotka sekoitettiin.
Seos kaadettiin ultraäänisäteilytykseen ja sekoituslaite alkoi, sekoituslaite asetettiin reaktiosäiliön sisäpuolelle. Se kuumennettiin 120 ° C: seen ja sitten ultraäänilaite asetettiin 800 W: iin ja ultraäänitoimintatila asetettiin pulssikäyttöjaksoihin 5 sekuntia ON / 2 sekuntia. Ultraäänisäteilytystä käytettiin 6 tuntia, ja sitten reaktioseos jäähdytettiin huoneenlämpötilaan. Kiinteä jäännös pestiin useita kertoja deionisoidulla vedellä ja kuivattiin 80 ° C: ssa vakiopainoon. Saatu näyte kerättiin myöhempää testausta ja paristojen tuotantoa varten. Ensimmäisen syklin latauskapasiteetti on 134.2mAh / g ja purkauskapasiteetti on 133.5mAh / g. Ensimmäinen lataus- ja purkaustehokkuus oli 99,5%. 40 syklin jälkeen purkauskapasiteetti on edelleen 132,9 mAh / g. (Zhang et ai., 2014)
 

Käytetty LiCoO2-kiteitä ennen (a) ja jälkeen (b) ultraäänikäsittelyn 120 ° C: ssa 6 tunnin ajan.
Tutkimus ja kuvat: ©Zhang et al. 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.

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Faktoja, jotka kannattaa tietää

Litiumioniakut

Litiumioniakut (LIB) on yhteinen termi (ladattaville) akuille, jotka tarjoavat suuren energiatiheyden ja jotka on usein integroitu kulutuselektroniikkaan, kuten sähköautoihin, hybridiautoihin, kannettaviin tietokoneisiin, matkapuhelimiin, iPodeihin jne. Verrattuna muihin samankokoisiin ja -kapasiteettisiin ladattaviin akkuihin, LIB: t ovat huomattavasti kevyempiä.
Toisin kuin kertakäyttöinen litiumparisto, LIB käyttää elektrodinaan interkaloitua litiumyhdistettä metallisen litiumin sijaan. Litiumioniakun tärkeimmät ainesosat ovat sen elektrodit – Anodi ja katodi – ja elektrolyytti.
Useimmilla kennoilla on yhteisiä komponentteja elektrolyytin, erottimen, kalvojen ja kotelon suhteen. Suurin ero soluteknologioiden välillä on materiaali, jota käytetään “Aktiiviset materiaalit” kuten katodi ja anodi. Grafiitti on yleisimmin käytetty materiaali anodina, kun taas katodi on valmistettu kerrostetusta LiMO2: sta (M = Mn, Co ja Ni), spinellistä LiMn₂O₄tai oliviini LiFePO₄. Elektrolyytti orgaaniset nestemäiset elektrolyytit (esim. LiPF6-suola liuotettuna orgaanisten liuottimien, kuten eteenikarbonaatin (EC), dimetyylikarbonaatin (DMC), dietyylikarbonaatin (DEC), etyylimetyylikarbonaatin (EMC) jne.) seokseen mahdollistaa ioniliikkeen.
Positiivisten (katodi) ja negatiivisten (anodi) elektrodimateriaalien mukaan LIB: iden energiatiheys ja jännite vaihtelevat vastaavasti.
Sähköajoneuvoissa käytettäessä käytetään usein sähköajoneuvon akkua (EVB) tai ajoakkua. Tällaisia ajoakkuja käytetään trukeissa, sähköisissä golfkärryissä, lattiapesureissa, sähkömoottoripyörissä, sähköautoissa, kuorma-autoissa, pakettiautoissa ja muissa sähköajoneuvoissa.

Metallien kierrätys käytetyistä Li-Ion-akuista

Verrattuna muun tyyppisiin akkuihin, jotka sisältävät usein lyijyä tai kadmiumia, litiumioniakut sisältävät vähemmän myrkyllisiä metalleja, ja siksi niitä pidetään ympäristöystävällisinä. Suuri määrä käytettyjä litiumioniakkuja, jotka on hävitettävä sähköautojen käytettyinä akkuina, aiheuttaa kuitenkin jäteongelman. Siksi litiumioniakkujen suljettu kierrätyssilmukka on välttämätön. Taloudellisesta näkökulmasta metallielementit, kuten rauta, kupari, nikkeli, koboltti ja litium, voidaan ottaa talteen ja käyttää uudelleen uusien akkujen valmistuksessa. Kierrätyksellä voitaisiin ehkäistä pulaa myös tulevaisuudessa.
Vaikka markkinoille on tulossa akkuja, joiden nikkelipitoisuus on suurempi, akkuja ei voida valmistaa ilman kobolttia. Korkeammalla nikkelipitoisuudella on hintansa: Kun nikkelipitoisuus kasvaa, akun vakaus heikkenee ja siten sen käyttöikä ja nopean latauksen kyky vähenevät.

Li-ion-akkujen kasvava kysyntä edellyttää käytettyjen akkujen kierrätyskapasiteetin lisäämistä.

Kierrätysprosessi

Sähköajoneuvojen, kuten Tesla Roadsterin, akkujen käyttöikä on noin 10 vuotta.
Tyhjentyneiden litiumioniakkujen kierrätys on vaativa prosessi, koska siihen liittyy korkeajännitteisiä ja vaarallisia kemikaaleja, joihin liittyy lämpökarkaamisen, sähköiskun ja vaarallisten aineiden päästöjen riski.
Suljetun kierron kierrätyksen aikaansaamiseksi jokainen kemiallinen sidos ja kaikki alkuaineet on erotettava yksittäisiksi fraktioikseen. Tällaisen suljetun kierron kierrätykseen tarvittava energia on kuitenkin erittäin kallista. Arvokkaimpia talteenottomateriaaleja ovat metallit, kuten Ni, Co, Cu, Li jne., Koska kallis kaivostoiminta ja metallikomponenttien korkeat markkinahinnat tekevät kierrätyksestä taloudellisesti houkuttelevan.
Li-ion-akkujen kierrätysprosessi alkaa akkujen purkamisesta ja purkamisesta. Ennen akun avaamista akun kemikaalien inaktivointi on passivoitava. Passivointi voidaan saavuttaa kryogeenisellä jäädyttämisellä tai hallitulla hapetuksella. Akun koosta riippuen paristot voidaan purkaa ja purkaa kennoon asti. Purkamisen ja murskaamisen jälkeen komponentit eristetään useilla menetelmillä (esim. seulonta, seulonta, käsin poiminta, magneettinen, märkä ja ballistinen erotus) kennokoteloiden, alumiinin, kuparin ja muovien poistamiseksi elektrodijauheesta. Elektrodimateriaalien erottaminen on välttämätöntä loppupään prosesseissa, esimerkiksi hydrometallurgisessa käsittelyssä.
Pyrolyysi
Pyrolyyttistä käsittelyä varten silputut paristot sulatetaan uunissa, johon lisätään kalkkikiveä kuonanmuodostusaineena.

Hydrotermiset prosessit
Hydrometallurginen käsittely perustuu happoreaktioihin suolojen saostamiseksi metalleina. Tyypillisiä hydrometallurgisia prosesseja ovat liuotus, saostus, ioninvaihto, liuotinuutto ja vesiliuosten elektrolyysi.
Hydrotermisen käsittelyn etuna on korkea talteenottosaanto, +95% Ni: stä ja Co: sta suoloina, +90% Li: stä voidaan saostaa ja loput voidaan ottaa talteen +80%: iin asti.

Erityisesti koboltti on kriittinen komponentti litiumioniakkujen katodeissa korkean energian ja tehon sovelluksissa.
Nykyiset hybridiautot, kuten Toyota Prius, käyttävät nikkelimetallihydridiakkuja, jotka puretaan, puretaan ja kierrätetään samalla tavalla kuin litiumioniakut.

Kirjallisuus/viitteet