लिथियम आयन बैटरियों के पुनर्चक्रण के लिए अल्ट्रासोनिक्स

• इलेक्ट्रिक कारों में उपयोग की जाने वाली लिथियम-आयन बैटरियाँ अभी व्यापक बाज़ार में आ रही हैं और इसके साथ ही पुनर्चक्रण क्षमताएँ विकसित करना आवश्यक है।
• अल्ट्रासोनिक निक्षालन, उपयोग की जा चुकी Li-ion बैटरियों से Li, Mg, Co, Ni आदि धातुओं की पुनर्प्राप्ति की एक कुशल, पर्यावरण-अनुकूल तकनीक है।
• निक्षालन अनुप्रयोगों के लिए Hielscher की औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रणालियाँ विश्वसनीय और मज़बूत हैं तथा इन्हें मौजूदा पुनर्चक्रण संयंत्रों में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है।

लिथियम-आयन बैटरियों का पुनर्चक्रण

लिथियम-आयन बैटरियों का इलेक्ट्रिक वाहनों (EV), लैपटॉप और मोबाइल फ़ोनों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इसका अर्थ है कि उपयोग की जा चुकी लिथियम-आयन बैटरियाँ वर्तमान में अपशिष्ट प्रबंधन और पुनर्चक्रण के लिए एक चुनौती हैं। बैटरियाँ EV की लागत बढ़ाने वाला एक प्रमुख कारक हैं और उनका निपटान भी महँगा है। पर्यावरणीय और आर्थिक पहलू एक बंद पुनर्चक्रण चक्र की आवश्यकता पर बल देते हैं, क्योंकि बैटरी अपशिष्ट में मूल्यवान सामग्रियाँ होती हैं और यह लिथियम-आयन बैटरियों के निर्माण के कार्बन पदचिह्न को कम करने में मदद करता है।
दुर्लभ मृदा धातुओं और बैटरी के अन्य घटकों की भविष्य में उपलब्धता सुनिश्चित करने तथा खनन की पर्यावरणीय लागत को कम करने के लिए Li-ion बैटरियों का पुनर्चक्रण एक फलते-फूलते औद्योगिक क्षेत्र के रूप में विकसित हो रहा है।

तापधातुकर्मीय और जलधातुकर्मीय पुनर्चक्रण बनाम अल्ट्रासोनिक बैटरी पुनर्चक्रण

नीचे, हम लाभों और कमियों के संदर्भ में तापधातुकर्मीय और जलधातुकर्मीय प्रक्रियाओं की पारंपरिक विधियों की तुलना अल्ट्रासोनिक निक्षालन तकनीक से करते हैं।

पारंपरिक बैटरी पुनर्चक्रण की कमियाँ

लिथियम-आयन बैटरियों के पुनर्चक्रण के लिए उपयोग की जाने वाली पारंपरिक विधियों में तापधातुकर्मीय और जलधातुकर्मीय प्रक्रियाएँ शामिल हैं।
 
तापधातुकर्मीय विधियों में प्रगलन या भस्मीकरण जैसी उच्च तापमान वाली प्रक्रियाएँ शामिल होती हैं। बैटरियों को अत्यधिक गर्मी के संपर्क में रखा जाता है, जिससे कार्बनिक घटक जल जाते हैं और शेष धात्विक घटकों को पिघलाकर अलग किया जाता है। हालाँकि, इन विधियों की कुछ कमियाँ हैं:

• पर्यावरणीय प्रभाव: तापधातुकर्मीय प्रक्रियाएँ वायुमंडल में हानिकारक उत्सर्जन और प्रदूषक छोड़ती हैं, जो वायु प्रदूषण में योगदान देते हैं और स्वास्थ्य संबंधी खतरे पैदा कर सकते हैं।
• सामग्रियों की हानि: उच्च तापमान वाली प्रक्रियाओं में ऊष्मीय अपघटन के कारण मूल्यवान सामग्रियों और धातुओं की हानि हो सकती है, जिससे समग्र पुनर्प्राप्ति दर कम हो जाती है।
• अधिक ऊर्जा की आवश्यकता: इन विधियों में आमतौर पर पर्याप्त ऊर्जा निवेश की आवश्यकता होती है, जिससे परिचालन लागत और पर्यावरणीय पदचिह्न बढ़ते हैं।

 
जलधातुकर्मीय विधियों में बैटरी के घटकों को घोलने और मूल्यवान धातुओं को निकालने के लिए रासायनिक निक्षालन शामिल होता है। तापधातुकर्मीय विधियों की तुलना में अधिक पर्यावरण-अनुकूल होने के बावजूद, जलधातुकर्म की अपनी कमियाँ हैं:

• रसायनों का उपयोग: निक्षालन के लिए प्रबल अम्लों या अन्य संक्षारक रसायनों की आवश्यकता होती है, जिससे रसायनों के प्रबंधन, अपशिष्ट प्रबंधन और संभावित पर्यावरणीय संदूषण को लेकर चिंताएँ उत्पन्न होती हैं।
• चयनात्मकता संबंधी चुनौतियाँ: वांछित धातुओं का चयनात्मक निक्षालन करना कठिन हो सकता है, जिससे पुनर्प्राप्ति दरें कम हो सकती हैं और मूल्यवान संसाधनों की हानि हो सकती है।

 

पारंपरिक तकनीकों की तुलना में अल्ट्रासोनिक बैटरी निक्षालन के लाभ

तापधातुकर्मीय और जलधातुकर्मीय पुनर्चक्रण तकनीकों, दोनों की तुलना में अल्ट्रासोनिक बैटरी पुनर्चक्रण तकनीक विभिन्न लाभों के कारण बेहतर प्रदर्शन करती है:

1. बढ़ी हुई दक्षता: अल्ट्रासोनिक सोनिकेशन बैटरी सामग्रियों के विघटन को तेज़ कर सकता है, जिससे प्रसंस्करण समय कम होता है और समग्र दक्षता बढ़ती है।
2. बेहतर पुनर्प्राप्ति दरें: अल्ट्रासोनिक कैविटेशन का नियंत्रित अनुप्रयोग बैटरी के घटकों के विघटन को बढ़ाता है, जिससे मूल्यवान धातुओं की पुनर्प्राप्ति दरें बढ़ती हैं।
3. पर्यावरण-अनुकूल: अल्ट्रासोनिक पुनर्चक्रण उच्च तापमान और तीव्र रसायनों पर निर्भरता कम करता है, जिससे पर्यावरणीय प्रभाव न्यूनतम होता है और प्रदूषकों का उत्सर्जन घटता है।
4. चयनात्मक निक्षालन: अल्ट्रासाउंड का नियंत्रित प्रयोग बैटरी के भीतर विशिष्ट घटकों का लक्षित विघटन करके उन्हें कुशलतापूर्वक अलग करने की सुविधा देता है। चूँकि अलग-अलग पुनर्चक्रण योग्य बैटरी यौगिक विशिष्ट अल्ट्रासोनिक तीव्रताओं पर हटाए और घोले जाते हैं, इसलिए अनुकूलित प्रसंस्करण मापदंड अलग-अलग सामग्रियों के चयनात्मक निक्षालन की सुविधा देते हैं। इससे मूल्यवान धातुओं और सामग्रियों को कुशलतापूर्वक अलग करना आसान होता है।
5. कम ऊर्जा खपत: जलधातुकर्मीय और विशेष रूप से तापधातुकर्मीय, दोनों विधियों की तुलना में अल्ट्रासोनिक पुनर्चक्रण सामान्यतः अधिक ऊर्जा-कुशल होता है, जिससे परिचालन लागत और कार्बन पदचिह्न कम होते हैं।
6. पैमाना बदलने की क्षमता और लचीलापन: विभिन्न बैटरी आकारों और उत्पादन क्षमताओं के अनुरूप अल्ट्रासोनिक प्रणालियों का पैमाना आसानी से बढ़ाया या घटाया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, बैटरी पुनर्चक्रण के लिए अल्ट्रासोनिकेटरों को पहले से मौजूद बैटरी पुनर्चक्रण सुविधाओं में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है। विभिन्न शक्ति स्तरों पर तथा अल्ट्रासोनिक प्रोब और प्रवाह सेल रिएक्टर जैसे उपयुक्त सहायक उपकरणों के साथ आसानी से उपलब्ध अल्ट्रासोनिकेटर विभिन्न आकारों के बैटरी घटकों को विभिन्न उत्पादन क्षमताओं पर संसाधित कर सकते हैं, जिससे पुनर्चक्रण प्रक्रियाओं में पैमाना बदलने की क्षमता और अनुकूलनशीलता मिलती है।
7. सहक्रियात्मक एकीकरण: इस्तेमाल हो चुकी Li-ion बैटरियों से मूल्यवान धातुओं और सामग्रियों के जलधातुकर्मीय निक्षालन को तीव्र और बेहतर बनाने के लिए अल्ट्रासोनिक निक्षालन को मौजूदा जलधातुकर्मीय बैटरी पुनर्चक्रण लाइनों में एकीकृत किया जा सकता है।

कुल मिलाकर, अल्ट्रासोनिक बैटरी पुनर्चक्रण पारंपरिक तापधातुकर्मीय और जलधातुकर्मीय पद्धतियों की तुलना में अधिक पर्यावरण-अनुकूल, कुशल और चयनात्मक विधि के रूप में संभावनाएँ दर्शाता है।

 

इस्तेमाल हो चुकी बैटरियों से धातुओं की पुनर्प्राप्ति के लिए औद्योगिक अल्ट्रासोनिक निक्षालन

अल्ट्रासोनिक निक्षालन और धातु निष्कर्षण का उपयोग लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड बैटरियों (जैसे लैपटॉप, स्मार्टफोन आदि की बैटरियाँ) तथा जटिल लिथियम-निकल-मैंगनीज-कोबाल्ट बैटरियों (जैसे इलेक्ट्रिक वाहनों की बैटरियाँ) की पुनर्चक्रण प्रक्रियाओं में किया जा सकता है।
उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड द्रव्यमान अंतरण को बेहतर बनाने और रासायनिक अभिक्रियाएँ शुरू करने के लिए रासायनिक द्रवों और स्लरी को संसाधित करने की अपनी क्षमता के लिए सुविख्यात है।
उच्च-शक्ति अल्ट्रासोनिकेशन के तीव्र प्रभाव ध्वनिक कैविटेशन की परिघटना पर आधारित हैं। द्रवों / स्लरी में उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड युग्मित करने पर द्रवों में बारी-बारी से बनने वाली निम्न-दाब और उच्च-दाब तरंगें छोटे निर्वात बुलबुले उत्पन्न करती हैं। ये छोटी निर्वात गुहिकाएँ कई निम्न-दाब / उच्च-दाब चक्रों के दौरान बढ़ती हैं, जब तक कि वे अत्यंत तीव्रता से अंतःस्फोटित नहीं हो जातीं। ढहते हुए निर्वात बुलबुलों को सूक्ष्मरिएक्टर माना जा सकता है, जिनमें तापमान 5000K तक, दाब 1000atm तक तथा तापन और शीतलन दरें 10^-10 से अधिक होती हैं। इसके अतिरिक्त, प्रबल द्रवगतिकीय अपरूपण बल और 280m/s तक के वेग वाले द्रव जेट उत्पन्न होते हैं। ध्वनिक कैविटेशन की ये चरम स्थितियाँ अन्यथा ठंडे द्रवों में असाधारण भौतिक और रासायनिक परिस्थितियाँ उत्पन्न करती हैं और रासायनिक अभिक्रियाओं के लिए अनुकूल वातावरण बनाती हैं (तथाकथित सोनोरसायन).

अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न कैविटेशन विलेयों का तापीय अपघटन प्रेरित कर सकता है और साथ ही अत्यधिक अभिक्रियाशील मूलकों तथा अभिकर्मकों का निर्माण भी प्रेरित कर सकता है, जैसे मुक्त मूलक, हाइड्रॉक्साइड आयन (•OH,), हाइड्रोनियम (H₃O+) आदि, जो द्रव में असाधारण अभिक्रियाशील परिस्थितियाँ उत्पन्न करते हैं, जिससे अभिक्रिया की दर उल्लेखनीय रूप से बढ़ जाती है। कणों जैसे ठोस पदार्थ द्रव जेटों द्वारा त्वरित होते हैं और कणों के बीच टक्कर तथा घर्षण से पीसे जाते हैं, जिससे सक्रिय सतह क्षेत्र और फलस्वरूप द्रव्यमान अंतरण बढ़ता है।
अल्ट्रासोनिक निक्षालन और धातु पुनर्प्राप्ति का बड़ा लाभ आयाम, दाब और तापमान जैसे प्रक्रिया मापदंडों पर सटीक नियंत्रण है। ये मापदंड अभिक्रिया की परिस्थितियों को प्रक्रिया माध्यम और लक्षित परिणाम के अनुरूप बिल्कुल सटीक रूप से समायोजित करने की सुविधा देते हैं। इसके अलावा, अल्ट्रासोनिक निक्षालन सूक्ष्मसंरचनाओं को संरक्षित रखते हुए आधार पदार्थ से धातु के सबसे छोटे कणों को भी हटा देता है। बेहतर धातु पुनर्प्राप्ति का कारण अल्ट्रासोनिक प्रभाव से अत्यधिक अभिक्रियाशील सतहों का निर्माण, अभिक्रिया दरों में वृद्धि और बेहतर द्रव्यमान परिवहन है। प्रत्येक मापदंड को प्रभावित करके सोनिकेशन प्रक्रियाओं को अनुकूलित किया जा सकता है, इसलिए ये न केवल बहुत प्रभावी, बल्कि अत्यधिक ऊर्जा-कुशल भी हैं।
मापदंडों पर सटीक नियंत्रण और ऊर्जा दक्षता अल्ट्रासोनिक निक्षालन को एक अनुकूल और उत्कृष्ट तकनीक बनाते हैं – विशेष रूप से जटिल अम्ल निक्षालन और कीलेशन तकनीकों की तुलना में।

उपयोग हो चुकी लिथियम-आयन बैटरियों से LiCoO₂ की अल्ट्रासोनिक पुनर्प्राप्ति

अल्ट्रासोनिकेशन अपचायक निक्षालन और रासायनिक अवक्षेपण में सहायता करता है, जिनका उपयोग अपशिष्ट लिथियम-आयन बैटरियों से Li को Li₂CO₃ के रूप में और Co को Co(OH)₂ के रूप में पुनः प्राप्त करने के लिए किया जाता है।
Zhang et al. (2014) ने LiCoO₂ की अल्ट्रासोनिक रिएक्टर का उपयोग करके सफल पुनर्प्राप्ति की सूचना दी है। 600mL का प्रारंभिक विलयन तैयार करने के लिए, उन्होंने एक बीकर में 10g अनुपयोगी LiCoO₂ चूर्ण रखा और 2.0mol/L सांद्रता वाला LiOH विलयन मिलाया, फिर इन्हें मिश्रित किया गया।
मिश्रण को अल्ट्रासोनिक विकिरण में डाला गया और विलोडन उपकरण चालू किया गया; विलोडन उपकरण को अभिक्रिया पात्र के अंदर रखा गया था। इसे 120◦C तक गर्म किया गया, और फिर अल्ट्रासोनिक उपकरण को 800W पर सेट किया गया तथा अल्ट्रासोनिक क्रिया को 5 sec. चालू / 2sec. बंद के स्पंदित कार्य चक्रों पर सेट किया गया। 6h तक अल्ट्रासोनिक विकिरण लागू किया गया और फिर अभिक्रिया मिश्रण को कमरे के तापमान तक ठंडा किया गया। ठोस अवशेष को विआयनीकृत जल से कई बार धोया गया और स्थिर भार प्राप्त होने तक 80◦C पर सुखाया गया। प्राप्त नमूने को आगे के परीक्षण और बैटरी उत्पादन के लिए एकत्र किया गया। पहले चक्र में चार्ज क्षमता 134.2mAh/g और डिस्चार्ज क्षमता 133.5mAh/g है। पहली बार चार्ज और डिस्चार्ज की दक्षता 99.5% थी। 40 चक्रों के बाद भी डिस्चार्ज क्षमता 132.9mAh/g है। (Zhang et al. 2014)
 

 
साइट्रिक अम्ल जैसे कार्बनिक अम्लों के साथ अल्ट्रासोनिक निक्षालन न केवल प्रभावी है, बल्कि पर्यावरण के अनुकूल भी है। शोध में पाया गया कि अकार्बनिक अम्लों H2SO4 और HCl की तुलना में साइट्रिक अम्ल के साथ Co और Li का निक्षालन अधिक कुशल है। उपयोग हो चुकी लिथियम-आयन बैटरियों से 96% से अधिक Co और लगभग 100% Li पुनः प्राप्त किए गए। साइट्रिक अम्ल और एसिटिक अम्ल जैसे कार्बनिक अम्लों का सस्ता और जैव-अवक्रमणीय होना सोनिकेशन के अतिरिक्त आर्थिक और पर्यावरणीय लाभों में योगदान देता है।

उपयोग हो चुकी बैटरियों से धातु निक्षालन के लिए उच्च-शक्ति औद्योगिक अल्ट्रासोनिक्स

Hielscher Ultrasonics अत्यधिक कुशल और विश्वसनीय अल्ट्रासोनिक प्रणालियों का आपका दीर्घ अनुभवी आपूर्तिकर्ता है। ये प्रणालियाँ अपशिष्ट पदार्थों से धातुओं के निक्षालन के लिए आवश्यक शक्ति प्रदान करती हैं। कोबाल्ट, लिथियम, निकेल और मैंगनीज़ जैसी धातुएँ निकालकर लिथियम-आयन बैटरियों के पुनः प्रसंस्करण के लिए शक्तिशाली और मज़बूत अल्ट्रासोनिक प्रणालियाँ आवश्यक हैं। Hielscher Ultrasonics की औद्योगिक इकाइयाँ, जैसे UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) और UIP16000 (16kW), बाज़ार में उपलब्ध सबसे शक्तिशाली और मज़बूत उच्च प्रदर्शन वाली अल्ट्रासाउंड प्रणालियाँ हैं। हमारी सभी औद्योगिक इकाइयों को 200µm तक के बहुत उच्च आयामों पर 24/7 संचालन में लगातार चलाया जा सकता है। इससे भी अधिक आयामों के लिए अनुकूलित अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड उपलब्ध हैं। Hielscher के अल्ट्रासोनिक उपकरणों की मज़बूती भारी कार्यभार और चुनौतीपूर्ण परिवेशों में 24/7 संचालन की सुविधा देती है। Hielscher उच्च तापमानों, दबावों और संक्षारक द्रवों के लिए विशेष सोनोट्रोड और रिएक्टर भी उपलब्ध कराता है। इससे हमारे औद्योगिक अल्ट्रासोनिकेटर निष्कर्षण धातुकर्म की तकनीकों, जैसे जलीय धातुकर्म उपचारों, के लिए सबसे उपयुक्त बनते हैं।

नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:

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साहित्य/संदर्भ

• 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.