אולטרסוניקה מייעלת את מיחזור סוללות הליתיום-יון

ליתיום הוא חומר נדיר ובעל ערך רב המצוי בסוללות בעלות ביצועים גבוהים, כגון סוללות ליתיום-יון. ליתיום הוא החומר בעל הערך הרב ביותר המושב במיחזור סוללות ליתיום-יון, אך גם מינרלים ומתכות אחרים כגון קובלט, מנגן, ניקל, נחושת ואלומיניום הם מתכות בעלות ערך להשבה. סוניקציה בעוצמה גבוהה משמשת כטכניקה לערבול בכוחות גזירה גבוהים ולמיצוי בהמסה, כדי לחלץ, להסיר ולהמיס מינרלים ומתכות בעלי ערך מסוללות משומשות. שיטת הסוניקציה יעילה מאוד, חסכונית באנרגיה וזמינה להתקנה במתקני מיחזור בקנה מידה מסחרי מלא.

סקירה כללית: תהליך מיחזור סוללות ליתיום-יון

תהליך המיחזור של מתכות וחומרים יקרים מסוללות ליתיום-יון משומשות כולל בדרך כלל כמה שלבים. להלן סקירה כללית:

1. איסוף ומיון: סוללות ליתיום-יון משומשות נאספות וממוינות לפי סוגיהן והרכבן הכימי.
2. פירוק: תחילה שוברים ומסירים את כיסוי הפלסטיק של הסוללה. לאחר מכן מכניסים את הסוללה החשופה לחנקן נוזלי כדי לנטרל חומרים תגובתיים ונפיצים. שלב זה מבטיח מניעה של שחרור פתאומי של כל האנרגיה האגורה ושל ההצתה והפיצוץ הנלווים אליו בהמשך. לאחר מכן מפרקים את הסוללות כדי להפריד בין הרכיבים השונים, כגון הקתודה, האנודה, האלקטרוליט והמארז.
3. גריסה: הסוללות המפורקות נגרסות לפיסות קטנות יותר כדי להגדיל את שטח הפנים לקראת התהליכים הבאים.
4. הפרדת שכבות האלקטרודות: לפני הטיפול למיצוי המתכות, יש לפרק עוד את האלקטרודות המבודדות, כלומר הקתודה והאנודה. מכיוון שחומר הקתודה מודבק בדרך כלל לרדיד אלומיניום באמצעות חומר מקשר, לרוב פוליווינילידן פלואוריד (PVDF) או פוליטטראפלואורואתילן (PTFE), הפרדת הקתודה ורדיד האלומיניום זה מזה היא משימה קשה.
5. טיפול כימי: רכיבי הסוללה הגרוסים עוברים טיפולים כימיים שונים כדי להמיס ולהפריד את החומרים השונים. טיפולים אלה עשויים לכלול מיצוי בהמסה באמצעות חומצה או ממסים אחרים כדי לחלץ מתכות בעלות ערך כגון ליתיום, קובלט, ניקל ונחושת.
6. השבה וטיהור: לאחר מכן משיבים את המתכות המומסות מתוך התמיסה באמצעות תהליכים כגון שיקוע, מיצוי בממס או שיטות אלקטרוכימיות. שלבים אלה מסייעים בטיהור המתכות היקרות ובהגדלת ריכוזן.

שיפור השבת המתכות היקרות באמצעות סוניקציה

אולטרסאונד רב-עוצמה יכול לשפר את שלבי הפרדת שכבות האלקטרודות והמיצוי בהמסה של מתכות וחומרים יקרים באמצעות הגברת התגובות, ובכך לייעל במידה ניכרת את תהליך ההשבה. סוניקציה היא טכניקה המשתמשת בגלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה כדי ליצור תנודות מכניות וקוויטציה אקוסטית בתווך נוזלי. הכוחות העזים של הסוניקציה משמשים לשיפור תהליך המיחזור של מתכות יקרות מסוללות ליתיום-יון משומשות בכמה דרכים:
 

1. פירור: הסוניקציה מפרקת את חומרי הסוללה הגרוסים כך שנוצרים חלקיקים קטנים יותר. לחלקיקים קטנים יותר יש שטח פנים גדול יותר, המייעל את המיצוי הכימי בהמסה ומסייע בשחרור מתכות בעלות ערך.
2. שיפור המיצוי בהמסה: יישום סוניקציה במהלך תהליכי מיצוי בהמסה יכול לשפר את המגע בין החומר המוצק לתמיסת המיצוי, ולהגביר את יעילות מיצוי המתכות. מיצוי בהמסה בסיוע אולטרסאונד מקדם את מיצוי המתכות ומגדיל את תפוקת ההשבה של מתכות ומינרלים כגון קובלט, מנגן, ניקל, נחושת ואלומיניום.
3. שיפור הפרדת שכבות האלקטרודות: מטרת הפרדת השכבות של האלקטרודות במהלך מיחזור סוללות היא להפריד בין הרכיבים השונים, כגון אלקטרודות, אלקטרוליטים ומפרידים, כדי שאפשר יהיה להמשיך לעבד או למחזר כל אחד מהם בנפרד. סוניקציה מסייעת בניתוק הציפויים ובהסרתם מהאלקטרודה. כוחות סונומכניים מקדמים הפרדה יעילה של שכבות האלקטרודות.
4. האצת תגובות: סוניקציה מקדמת ערבוב מהיר ויסודי יותר, שיכול להאיץ תגובות כימיות בשלבי ההשבה והטיהור של מתכות.
5. הפחתת צריכת האנרגיה: סוניקציה יכולה לשפר את יעילות התהליך ולהפחית את הזמן והאנרגיה הנדרשים להשבת מתכות מסוללות משומשות.

 
סוניקציה יכולה לתרום לשיפור תהליך המיחזור של מתכות וחומרים יקרים מסוללות ליתיום־יון משומשות באמצעות הגברת האפקטיביות והיעילות של שלבים שונים בתהליך המיחזור.
אפשר להתאים את שלבי המיצוי האולטרסוני בהמסה של מתכות והפרדת השכבות של האלקטרודות לתהליכי מיחזור פרטניים, שעשויים להשתנות ככל שחברות המתמחות במיחזור סוללות ליתיום־יון מפתחות ומשנות את התהליכים שלהן להשגת היעילות הגבוהה ביותר.

קוויטציה אולטרסונית להפרדת קתודות

סוניקציה מפרידה חומרי קתודה מרדיד אלומיניום באמצעות השפעותיה של קוויטציה אקוסטית. קוויטציה אקוסטית או אולטרסונית מתאפיינת בלחצים גבוהים ובטמפרטורות גבוהות המופיעים באופן מקומי, ובירידות המתרחשות אחריהם ויוצרות הפרשי לחץ וטמפרטורה בהתאמה, וכן במערבולות זעירות עזות ובסילונים זעירים בעלי כוחות גזירה גבוהים. כוחות קוויטציה אלה פועלים על ממשקי משטחים, מקדמים מעבר מסה וגורמים לשחיקה. באמצעות יצירת כוחות עזים כאלה בעלי אופי כימי, פיזיקלי, תרמי ומכני, קוויטציה אולטרסונית יוצרת את הערבול ואת מעבר המסה הנדרשים לפירוק המבנה של חומר הקישור האורגני המשמש בסוללות ליתיום־יון לקיבוע הקתודה לקולט הזרם / רדיד האלומיניום.
בעוד שערבול מכני בלבד, כגון בחישה, אינו מספיק לניתוק יעיל של חומר הקתודה מרדיד האלומיניום, סוניקציה בעוצמה גבוהה מספקת את האנרגיה הסונוכימית והסונומכנית הנדרשת להסרה מלאה של חומר הקתודה מקולטי הזרם. בניגוד לבחישה מכנית, קוויטציה אולטרסונית יוצרת מערבולות עזות, טמפרטורות ולחצים מקומיים גבוהים, וכן ערבול, זרימה וסילוני נוזל, המפרקים את חומר הקישור, כגון PVDF או PTFE, המחבר את הקתודה לרדיד ה־Al, ושוחקים את פני השטח הן של הקתודה והן של רדיד ה־Al. כך חומר הקישור שבין שני החומרים מתפרק כראוי, והקתודה ורדיד האלומיניום מופרדים ביעילות.
לדוגמה, הפרדה אולטרסונית משיגה יעילות גבוהה של 99% בהסרת הקתודה באמצעות שימוש ב־N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) כממס בטמפרטורה של 70°C (הספק אולטרסוני של 240 W וזמן עיבוד אולטרסוני של 90 min). מכיוון שהפרדת קתודות אולטרסונית מפזרת את החומר באופן אחיד ומונעת היווצרות צברים גדולים יותר, היא מקלה על תהליך המיצוי בהמסה של המתכות המתבצע לאחר מכן.
קראו עוד על הפרדת שכבות אולטרסונית של אלקטרודות להשבת חומרים פעילים ורדידים של קולטי זרם!

מיצוי אולטרסוני בהמסה של מינרלים

השפעות הקוויטציה האולטרסונית שתוארו לעיל מקדמות גם את מיצוי המתכות מסוללות משומשות באמצעות המסה. טיפול אולטרסוני בעוצמה גבוהה משמש לא רק להשבת מינרלים במיחזור סוללות, אלא משמש לעיתים קרובות גם בהידרומטלורגיה ובמיצוי עפרות יקרות ערך באמצעות המסה (למשל, פסולת כרייה). הטמפרטורות, הלחצים וכוחות הגזירה הגבוהים המתפתחים באופן מקומי מגבירים את מיצוי המתכות באמצעות המסה ומשפרים משמעותית את יעילותו. בעוד שבמוקדי הקוויטציה מתפתחות באופן מקומי טמפרטורות קיצוניות מאוד של עד 1000 K, תנאי המיצוי הכוללים דורשים טמפרטורה מתונה בלבד של כ־50–60°C. כך הופכת השבת המתכות האולטרסונית לחסכונית באנרגיה ולכדאית מבחינה כלכלית.
מיצוי אולטרסוני של מינרלים מסוללות ליתיום־יון משומשות באמצעות המסה מתאפיין בשיעורי השבה גבוהים וביעילות גבוהה. לדוגמה, חומצה גופרתית (H2SO4) שימשה בהצלחה כחומר המסה בנוכחות מי חמצן (H2O2) במהלך השבה אולטרסונית של מינרלים מהקתודה. מיצוי אולטרסוני באמצעות חומצה גופרתית הניב שיעורי השבה של 94.63% לקובלט ושל 98.62% לליתיום, בהתאמה.
מיצוי אולטרסוני באמצעות חומצה ציטרית אורגנית (C6H8O7·H2O) מניב שיעורי השבה גבוהים מאוד של נחושת וליתיום, עם השבה של 96% מהנחושת וכמעט 100% מהליתיום מסוללות הליתיום־יון המשומשות.

פשוט ובטוח: הגדלת קנה המידה של תהליכים אולטרסוניים מבדיקות היתכנות למיחזור תעשייתי

ציוד אולטרסוני בעל ביצועים גבוהים למיחזור סוללות ליתיום־יון זמין להתקנה בקנה מידה שולחני, בקנה מידה פיילוט ובקנה מידה תעשייתי. מכיוון שהפרדת קתודות באולטרסאונד ומיצוי אולטרסוני של מינרלים מסוללות משומשות באמצעות המסה הם כבר תהליכים מבוססים, התהליך מהניסויים הראשונים, דרך התאמה מיטבית לדרישות התהליך הספציפיות שלכם ועד להתקנת מערכת אולטרסונית להפרדה ו/או למיצוי באמצעות המסה בקנה מידה תעשייתי מלא הוא מהיר ופשוט.
קראו עוד על היתרונות של מיצוי אולטרסוני באמצעות המסה למיחזור סוללות בר־קיימא ולכרייה עירונית!

מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים למיחזור סוללות

Hielscher Ultrasonics מספקת מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים בכל גודל וקיבולת. עם UIP16000 (16kW), חברת Hielscher מייצרת את המעבד האולטרסוני החזק ביותר בעולם. ניתן לשלב בקלות את UIP16000, כמו גם את כל המערכות האולטרסוניות התעשייתיות האחרות, במערכים להשגת קיבולת העיבוד הנדרשת. כל המכשירים האולטרסוניים של Hielscher בנויים לפעולה 24/7 בעומס מלא ובסביבות תובעניות.
המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד. ניתן להפעילם בקלות וברציפות באמפליטודות של עד 200µm בפעולה 24/7. לאמפליטודות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות המותאמות אישית.

גשושים אולטרסוניים וכורים אולטרסוניים לכל נפח

מגוון המוצרים של Hielscher Ultrasonics מכסה את מלוא טווח המעבדים האולטרסוניים, ממכשירים אולטרסוניים מעבדתיים קומפקטיים, דרך מערכות שולחניות ומערכות פיילוט ועד למעבדים אולטרסוניים תעשייתיים מלאים בעלי יכולת לעבד מטענים של משאיות בשעה. מגוון המוצרים המלא מאפשר לנו להציע לכם את הציוד האולטרסוני המתאים ביותר ליישום שלכם, לקיבולת התהליך וליעדי הייצור.

אמפליטודות הניתנות לבקרה מדויקת להשגת תוצאות מיטביות

כל המעבדים האולטרסוניים של Hielscher ניתנים לבקרה מדויקת, ולכן הם כלי עבודה אמינים במחקר ופיתוח ובייצור. המשרעת היא אחד מפרמטרי התהליך המכריעים המשפיעים על היעילות והאפקטיביות של תגובות המושרות באמצעים סונוכימיים וסונומכניים. כל המעבדים של Hielscher Ultrasonics מאפשרים לקבוע את המשרעת במדויק. סונוטרודות וקרני הגברה הן אביזרים המאפשרים לשנות את המשרעת בטווח רחב עוד יותר. המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד ואת העוצמה האולטרסונית הנדרשת ליישומים תובעניים. ניתן להפעיל בקלות וברציפות משרעות של עד 200µm בפעולה 24/7.
קביעה מדויקת של המשרעת וניטור מתמיד של פרמטרי התהליך האולטרסוני באמצעות תוכנה חכמה מאפשרים לכם להפריד את הקתודה מרדיד האלומיניום וכן למצות מינרלים ומתכות מסוללות ליתיום־יון משומשות בתנאים האולטרסוניים האפקטיביים ביותר. סוניקציה מיטבית למיחזור היעיל ביותר של סוללות ליתיום־יון!
העמידות של מכשירי הסוניקציה של Hielscher מאפשרת פעולה 24/7 בעומס עבודה כבד ובסביבות תובעניות. הודות לכך, מכשירי הסוניקציה של Hielscher הם כלי עבודה אמינים העונים על דרישות תהליך המיחזור שלכם.

האיכות הגבוהה ביותר – תוכנן ויוצר בגרמניה

כעסק בבעלות משפחתית ובניהול משפחתי, Hielscher מעניקה עדיפות לתקני האיכות הגבוהים ביותר עבור המעבדים האולטרסוניים שלה. כל מכשירי הסוניקציה מתוכננים, מיוצרים ונבדקים ביסודיות במטה שלנו בטלטו שליד ברלין, גרמניה. העמידות והאמינות של הציוד האולטרסוני של Hielscher הופכות אותו לכלי עבודה מסור בייצור שלכם. פעולה 24/7 בעומס מלא ובסביבות תובעניות היא מאפיין טבעי של הגשושים והראקטורים האולטרסוניים עתירי הביצועים של Hielscher.

הטבלה שלהלן מציגה את כושר העיבוד המשוער של מכשירי הסוניקציה שלנו:

עובדות שכדאי לדעת

מהן סוללות ליתיום־יון?

סוללת ליתיום־יון, המכונה גם סוללת Li-ion, היא סוג של סוללה נטענת. בהשוואה לסוללות מבוססות עופרת וניקל, סוללות ליתיום־יון משתמשות בקתודה, באנודה ובאלקטרוליט כמוליך.
כמו כל הסוללות, סוללות ליתיום־יון אוגרות אנרגיה כימית, המומרת לאחר מכן לאנרגיה חשמלית כדי לספק מטען חשמלי סטטי לצורך אספקת חשמל.
סוללות ליתיום־יון משמשות בדרך כלל במכשירים אלקטרוניים ניידים כגון מחשבים ניידים וטלפונים חכמים, וכן בכלי רכב חשמליים. השימוש בסוללות ליתיום־יון מעורר עניין גובר גם בקרב הצבא וחברות בתחום התעופה והחלל.