אולטרסאונד למיחזור סוללות ליתיום-יון

• סוללות ליתיום-יון המשמשות במכוניות חשמליות מגיעות רק עכשיו לשוק ההמוני ואיתו יש לפתח יכולות מיחזור.
• שטיפה קולית היא טכניקה יעילה וידידותית לסביבה לשחזור מתכות כגון Li, Mg, Co, Ni וכו 'מסוללות Li-ion משומשות.
• מערכות קוליות תעשייתיות Hielscher עבור יישומי שטיפה הם אמינים וחזקים וניתן לשלב בקלות במפעלי מיחזור קיימים.

מיחזור סוללות ליתיום-יון

סוללות ליתיום-יון נמצאות בשימוש נרחב בכלי רכב חשמליים (EV), מחשבים ניידים וטלפונים סלולריים. משמעות הדבר היא כי סוללות ליתיום-יון משומשות הן אתגר עכשווי בכל הנוגע לניהול פסולת ומיחזור. הסוללות הן מנוע עלות עיקרי עבור כלי רכב חשמליים, וגם השלכתן יקרה. היבטים סביבתיים וכלכליים דוחפים ללולאת מיחזור סגורה מכיוון שפסולת הסוללות מכילה חומרים יקרי ערך ומסייעת להפחית את טביעת הרגל הפחמנית של ייצור סוללות ליתיום-יון.
מיחזור סוללות Li-ion גדל למגזר תעשייה משגשג על מנת להבטיח את הזמינות העתידית של מתכות נדירות ורכיבי סוללות אחרים ולהפחית את העלויות הסביבתיות של הכרייה.

מיחזור פירומטלורגי והידרומטלורגי לעומת מיחזור סוללות אולטראסוניות

להלן, אנו משווים את השיטות המקובלות של תהליכים פירומטלורגיים והידרומטלורגיים עם טכניקת שטיפה קולית לגבי יתרונות וחסרונות.

החסרונות של מיחזור סוללות קונבנציונלי

שיטות מסורתיות המשמשות למחזור סוללות ליתיום-יון כוללות תהליכים פירומטלורגיים והידרומטלורגיים.
 
שיטות פירומטלורגיות כרוך בתהליכים בטמפרטורה גבוהה כגון התכה או שריפה. הסוללות חשופות לחום קיצוני, הגורם לרכיבים האורגניים להישרף, והרכיבים המתכתיים הנותרים מותכים ומופרדים. עם זאת, שיטות אלה יש כמה חסרונות:

• השפעה על הסביבה: תהליכים פירומטלורגיים משחררים פליטות ומזהמים מזיקים לאטמוספירה, תורמים לזיהום אוויר ועלולים לגרום לסכנות בריאותיות.
• אובדן חומרים: תהליכים בטמפרטורה גבוהה עלולים לגרום לאובדן של חומרים ומתכות יקרי ערך עקב השפלה תרמית, מה שמקטין את קצב ההתאוששות הכולל.
• עתיר אנרגיה: שיטות אלה דורשות בדרך כלל תשומות אנרגיה משמעותיות, המגדילות את עלויות התפעול ואת טביעת הרגל הסביבתית.

 
שיטות הידרומטלורגיות כרוך בשטיפה כימית כדי להמיס את רכיבי הסוללה ולחלץ מתכות יקרות ערך. בעוד ידידותי יותר לסביבה מאשר שיטות pyrometallurgic, hydrometallurgy יש חסרונות משלה:

• שימוש בכימיקלים: חומצות חזקות או כימיקלים קורוזיביים אחרים נחוצים לשטיפה, מה שמעלה חששות לגבי טיפול בכימיקלים, ניהול פסולת וזיהום סביבתי פוטנציאלי.
• אתגרי הסלקטיביות: השגת שטיפה סלקטיבית של מתכות רצויות יכולה להיות קשה, מה שמוביל לשיעורי התאוששות נמוכים יותר ולאובדן פוטנציאלי של משאבים יקרים.

 

היתרונות של שטיפת סוללה אולטראסונית על פני טכניקות קונבנציונליות

בהשוואה לשניהם, טכניקות מיחזור פירומטלורגיות והידרומטלורגיות, טכניקת מיחזור סוללות קולית עולה על התחרות בשל יתרונות שונים:

1. יעילות משופרת: סוניקציה על-קולית יכולה להאיץ את פירוק חומרי הסוללה, וכתוצאה מכך זמני עיבוד קצרים יותר ויעילות כוללת גבוהה יותר.
2. שיפור בשיעורי ההתאוששות: היישום המבוקר של cavitation קולי משפר את התמוטטות רכיבי הסוללה, להגדיל את שיעורי ההתאוששות של מתכות יקרות.
3. ידידותי לסביבה: מיחזור על-קולי מפחית את ההסתמכות על טמפרטורות גבוהות וכימיקלים קשים, ממזער את ההשפעה על הסביבה ומפחית את פליטת המזהמים.
4. שטיפה סלקטיבית: היישום המבוקר של אולטרסאונד מאפשר שיבוש ממוקד של רכיבים ספציפיים בתוך הסוללה ומפריד ביניהם ביעילות. מכיוון שתרכובות סוללה שונות הניתנות למחזור מוסרות ומומסות בעוצמות על-קוליות ספציפיות, פרמטרי עיבוד אופטימליים מאפשרים שטיפה סלקטיבית של חומרים בודדים. זה מאפשר הפרדה יעילה של מתכות וחומרים יקרי ערך.
5. צריכת אנרגיה מופחתת: בהשוואה לשניהם, שיטות הידרומטלורגיות ובמיוחד לשיטות פירומטלורגיות, מיחזור קולי הוא בדרך כלל חסכוני יותר באנרגיה, מה שמוביל לעלויות תפעול נמוכות יותר וטביעת רגל פחמנית מופחתת.
6. מדרגיות וגמישות: ניתן להגדיל או להקטין בקלות מערכות אולטראסוניות כדי להתאים לגדלי סוללה ויכולות ייצור שונות. בנוסף, ניתן לשלב בקלות אולטרסאונד למיחזור סוללות במתקני מיחזור סוללות קיימים. זמינים בקני מידה שונים של הספק ואביזרים תואמים כגון בדיקות קוליות וכורי תאי זרימה, אולטרה-סוניקטורים יכולים להתמודד עם רכיבי סוללות בגדלים שונים וביכולות ייצור שונות, ומספקים מדרגיות ויכולת הסתגלות בתהליכי מיחזור.
7. אינטגרציה סינרגטית: ניתן לשלב שטיפה קולית בקווי מחזור סוללות הידרומטלורגיים קיימים על מנת להגביר ולשפר את השטיפה ההידרומטלורגית של מתכות וחומרים יקרי ערך מסוללות Li-ion משומשות.

בסך הכל, מיחזור סוללות על-קולי מראה הבטחה כשיטה ידידותית יותר לסביבה, יעילה וסלקטיבית בהשוואה לגישות פירומטלורגיות והידרומטלורגיות מסורתיות.

 

שטיפה קולית תעשייתית להתאוששות מתכת מסוללות משומשות

שטיפה על-קולית ומיצוי מתכות יכולות להיות מיושמות בתהליכי מיחזור של סוללות תחמוצת ליתיום קובלט (למשל ממחשבים ניידים, סמארטפונים וכו') וכן של סוללות ליתיום-ניקל-מנגן-קובלט מורכבות (למשל מכלי רכב חשמליים).
אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ידוע ביכולתו לעבד נוזלים כימיים ותרחיפים על מנת לשפר את העברת המסה וליזום תגובות כימיות.
ההשפעות האינטנסיביות של אולטרסוניקציה כוח מבוססות על תופעה של cavitation אקוסטי. על ידי צימוד אולטרסאונד בעוצמה גבוהה לנוזלים / תרחיפים, גלי הלחץ הנמוך והלחץ הגבוה לסירוגין בנוזלים יוצרים בועות ואקום קטנות. חללי הוואקום הקטנים גדלים על פני מחזורים שונים של לחץ נמוך / לחץ גבוה עד לקריסה אלימה. בועות הוואקום הקורסות יכולות להיחשב כמיקרו-ריאקטורים שבהם טמפרטורות של עד 5000K, לחצים של עד 1000ATM, וקצבי חימום וקירור מעל 10^-10 להתרחש. יתר על כן, נוצרים כוחות גזירה הידרודינמיים חזקים וסילונים נוזליים במהירות של עד 280 מטר לשנייה. תנאים קיצוניים אלה של קוויטציה אקוסטית יוצרים תנאים פיזיקליים וכימיים יוצאי דופן בנוזלים קרים אחרת ויוצרים סביבה מועילה לתגובות כימיות (מה שנקרא סונוכימיה).

קוויטציה הנוצרת באולטרסאונד יכולה לגרום לתרמוליזה של מומסים, כמו גם להיווצרות רדיקלים וריאגנטים תגובתיים מאוד, כגון רדיקלים חופשיים, יוני הידרוקסיד (•OH,) הידרוניום (H₃O+) וכו', המספקים תנאים תגובתיים יוצאי דופן בנוזל כך שקצב התגובה מוגבר באופן משמעותי. מוצקים כגון חלקיקים מואצים על ידי סילוני הנוזל ונטחנים על ידי התנגשות ושחיקה בין-אלקטרית, המגדילים את שטח הפנים הפעיל ובכך מעבירים מסה.
היתרון הגדול של שטיפה קולית ושחזור מתכת הוא השליטה המדויקת על פרמטרי התהליך כגון משרעת, לחץ וטמפרטורה. פרמטרים אלה מאפשרים להתאים את תנאי התגובה בדיוק למדיום התהליך ולפלט הממוקד. יתר על כן, שטיפה קולית מסירה אפילו את חלקיקי המתכת הקטנים ביותר מהמצע, תוך שמירה על מיקרו-מבנים. התאוששות המתכת המשופרת נובעת מיצירה קולית של משטחים תגובתיים מאוד, קצב תגובה מוגבר ותחבורה המונית משופרת. תהליכי סוניקציה יכולים להיות אופטימליים על ידי השפעה על כל פרמטר ולכן הם לא רק יעילים מאוד אלא גם חסכוניים מאוד באנרגיה.
בקרת הפרמטרים המדויקת שלה ויעילות האנרגיה הופכים את שטיפה קולית לטכניקה חיובית ומצטיינת – במיוחד בהשוואה לטכניקות שטיפת חומצה וקלציה מסובכות.

התאוששות קולית של LiCoO₂ מ סוללות ליתיום-יון משומשות

אולטרסוניקציה מסייעת לשטיפה רדוקטיבית ולמשקעים כימיים, המשמשים לשחזור לי בתור לי₂כו₃ ושות' כ-Co(OH)₂ מפסולת סוללות ליתיום-יון.
Zhang et al. (2014) מדווחים על התאוששות מוצלחת של LiCoO₂ באמצעות כור קולי. על מנת להכין את הפתרון ההתחלתי של 600mL, הם הניחו 10g של LiCoO לא חוקי₂ אבקה בכוס והוסיף 2.0mol/L של תמיסת LiOH, אשר היו מעורבבים.
התערובת נשפכה לתוך הקרינה העל-קולית ומכשיר הערבוב התחיל, מכשיר הערבוב הונח בחלק הפנימי של מיכל התגובה. זה היה מחומם ל 120◦C, ולאחר מכן את מכשיר אולטראסוני הוגדר ל 800W ומצב הפעולה העל-קולי הוגדר למחזורי עבודה פועמים של 5 שניות. ON / 2Sec. כבוי. הקרינה העל-קולית הוחלה במשך 6 שעות, ואז תערובת התגובה התקררה לטמפרטורת החדר. השאריות המוצקות נשטפו מספר פעמים במים נטולי יונים, וייבשו בטמפרטורה של 80◦C עד למשקל קבוע. המדגם שהתקבל נאסף לבדיקות עוקבות ולייצור סוללות. קיבולת הטעינה במחזור הראשון היא 134.2mAh/g וקיבולת הפריקה היא 133.5mAh/g. יעילות הטעינה והפריקה בפעם הראשונה הייתה 99.5%. לאחר 40 מחזורים, קיבולת הפריקה היא עדיין 132.9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
שטיפה קולית עם חומצות אורגניות כגון חומצת לימון היא לא רק יעילה, אלא גם ידידותית לסביבה. מחקרים מצאו כי שטיפה של Co ו- Li יעילה יותר עם חומצת לימון מאשר עם חומצות אנאורגניות H2SO4 ו- HCl. יותר מ-96% Co וכמעט 100% Li נמצאו מסוללות ליתיום-יון משומשות. העובדה שחומצות אורגניות כמו חומצת לימון וחומצה אצטית הן זולות ומתכלות, תורמת ליתרונות כלכליים וסביבתיים נוספים של סוניקציה.

אולטרסאונד תעשייתי בהספק גבוה לשטיפת מתכת מסוללות משומשות

Hielscher Ultrasonics הוא הספק המנוסה שלך במשך זמן רב עבור מערכות קוליות יעיל ואמין מאוד, אשר מספקים את הכוח הנדרש כדי leach מתכות מחומרי פסולת. על מנת לעבד מחדש סוללות Li-ion על ידי חילוץ מתכות כגון קובלט, ליתיום, ניקל ומנגן, מערכות קוליות חזקות וחזקות הן חיוניות. יחידות תעשייתיות של Hielscher Ultrasonics כגון UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) ו- UIP16000 (16kW) הן מערכות האולטרסאונד החזקות והחזקות ביותר בשוק. ניתן להפעיל את כל היחידות התעשייתיות שלנו ברציפות עם אמפליטודות גבוהות מאוד של עד 200μm בפעולה 24/7. עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים. החוסן של ציוד קולי Hielscher מאפשר פעולה 24/7 בתפקיד כבד בסביבות תובעניות. Hielscher מספקת sonotrodes מיוחדים כורים עבור טמפרטורות גבוהות, לחצים ונוזלים קורוזיביים, מדי. זה הופך את האולטרסאונד התעשייתי שלנו למתאים ביותר לטכניקות מטלורגיה מיצוי, למשל טיפולים הידרומטלורגיים.

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:

---

---

ספרות/מקורות

• 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.