Ultrazvuk za recikliranje litij-ionskih baterija

• Litij-ionske baterije koje se koriste u električnim automobilima tek dolaze na masovno tržište i s njima se moraju razviti kapaciteti recikliranja.
• Ultrazvučno ispiranje je učinkovita, ekološki prihvatljiva tehnika za oporavak metala kao što su Li, Mg, Co, Ni itd. iz istrošenih Li-ion baterija.
• Hielscher industrijski ultrazvučni sustavi za aplikacije ispiranja su pouzdani i robusni i mogu se jednostavno integrirati u postojeća postrojenja za recikliranje.

Recikliranje litij-ionskih baterija

Litij-ionske baterije naširoko se koriste u električnim vozilima (EV), prijenosnim računalima i mobitelima. To znači da su istrošene litij-ionske baterije trenutni izazov u gospodarenju otpadom i recikliranju. Baterije su glavni pokretač troškova za električna vozila, a i njihovo zbrinjavanje je skupo. Ekološki i ekonomski aspekti potiču zatvorenu petlju recikliranja budući da otpad od baterija sadrži vrijedne materijale i pomaže u smanjenju ugljičnog otiska proizvodnje litij-ionskih baterija.
Recikliranje litij-ionskih baterija postaje uspješan industrijski sektor kako bi se osigurala buduća dostupnost metala rijetkih zemalja i drugih komponenti baterija te smanjili ekološki troškovi rudarenja.

Pirometalurško i hidrometalurško recikliranje u odnosu na recikliranje ultrazvučnih baterija

U nastavku uspoređujemo konvencionalne metode pirometalurških i hidrometalurških procesa s ultrazvučnom tehnikom ispiranja u pogledu prednosti i nedostataka.

Nedostaci konvencionalnog recikliranja baterija

Tradicionalne metode koje se koriste za recikliranje litij-ionskih baterija uključuju pirometalurške i hidrometalurške procese.
 
Pirometalurške metode uključuju procese visoke temperature kao što su taljenje ili spaljivanje. Baterije se izlažu ekstremnoj toplini, što uzrokuje izgaranje organskih komponenti, a preostale metalne komponente se tope i odvajaju. Međutim, ove metode imaju neke nedostatke:

• Utjecaj na okoliš: Pirometalurški procesi ispuštaju štetne emisije i zagađivače u atmosferu, doprinoseći onečišćenju zraka i potencijalno uzrokujući opasnosti po zdravlje.
• Gubitak materijala: Visokotemperaturni procesi mogu rezultirati gubitkom vrijednih materijala i metala zbog toplinske degradacije, smanjujući ukupnu stopu oporavka.
• Energetski intenzivno: Ove metode obično zahtijevaju značajan unos energije, što povećava operativne troškove i utjecaj na okoliš.

 
Hidrometalurške metode uključuju kemijsko ispiranje za otapanje komponenti baterije i izdvajanje vrijednih metala. Iako je ekološki prihvatljivija od pirometalurških metoda, hidrometalurgija ima svoje nedostatke:

• Upotreba kemikalija: Jake kiseline ili druge korozivne kemikalije potrebne su za ispiranje, što izaziva zabrinutost oko rukovanja kemikalijama, upravljanja otpadom i mogućeg zagađenja okoliša.
• Izazovi selektivnosti: Postizanje selektivnog ispiranja željenih metala može biti teško, što dovodi do nižih stopa iskorištenja i potencijalnog gubitka vrijednih resursa.

 

Prednosti ultrazvučnog ispiranja baterija u odnosu na konvencionalne tehnike

U usporedbi s objema, pirometalurškim i hidrometalurškim tehnikama recikliranja, ultrazvučna tehnika recikliranja baterija nadmašuje se zbog raznih prednosti:

1. Poboljšana učinkovitost: Ultrazvučna sonikacija može ubrzati razgradnju materijala baterije, što rezultira kraćim vremenima obrade i većom ukupnom učinkovitošću.
2. Poboljšane stope oporavka: Kontrolirana primjena ultrazvučne kavitacije pospješuje razgradnju komponenti baterije, povećavajući stope obnavljanja vrijednih metala.
3. Ekološki prihvatljivo: Ultrazvučno recikliranje smanjuje ovisnost o visokim temperaturama i jakim kemikalijama, smanjujući utjecaj na okoliš i smanjujući emisije zagađivača.
4. Selektivno ispiranje: Kontrolirana primjena ultrazvuka omogućuje ciljano ometanje specifičnih komponenti unutar baterije, učinkovito ih odvajajući. Budući da se različiti spojevi baterije koji se mogu reciklirati uklanjaju i otapaju pod određenim ultrazvučnim intenzitetom, optimizirani parametri obrade omogućuju selektivno ispiranje pojedinačnih materijala. To olakšava učinkovito odvajanje vrijednih metala i materijala.
5. Smanjena potrošnja energije: U usporedbi s objema, hidrometalurškim, a posebno s pirometalurškim metodama, ultrazvučno recikliranje općenito je energetski učinkovitije, što dovodi do nižih operativnih troškova i smanjenog ugljičnog otiska.
6. Skalabilnost i fleksibilnost: Ultrazvučni sustavi mogu se lako povećati ili smanjiti kako bi se prilagodili različitim veličinama baterija i proizvodnim kapacitetima. Dodatno, ultrazvučni uređaji za recikliranje baterija mogu se lako integrirati u već postojeće objekte za recikliranje baterija. Lako dostupni u različitim stupnjevima snage i odgovarajućim dodacima kao što su ultrazvučne sonde i reaktori s protočnim ćelijama, ultrazvučni uređaji mogu rukovati komponentama baterija različitih veličina i proizvodnih kapaciteta, pružajući skalabilnost i prilagodljivost u procesima recikliranja.
7. Sinergijska integracija: Ultrazvučno ispiranje može se integrirati u postojeće hidrometalurške linije za recikliranje baterija kako bi se intenziviralo i poboljšalo hidrometalurško ispiranje vrijednih metala i materijala iz istrošenih Li-ion baterija.

Sve u svemu, ultrazvučno recikliranje baterija obećava kao ekološki prihvatljivija, učinkovitija i selektivnija metoda u usporedbi s tradicionalnim pirometalurškim i hidrometalurškim pristupima.

 

Industrijsko ultrazvučno ispiranje za oporavak metala iz istrošenih baterija

Ultrazvučno ispiranje i ekstrakcija metala mogu se primijeniti na procese recikliranja litij-kobalt-oksidnih baterija (npr. iz prijenosnih računala, pametnih telefona itd.), kao i složenih litij-nikal-mangan-kobalt baterija (npr. iz električnih vozila).
Ultrazvuk velike snage dobro je poznat po svojoj sposobnosti obrade kemijskih tekućina i kaša kako bi se poboljšao prijenos mase i pokrenule kemijske reakcije.
Intenzivni učinci snage ultrazvuka temelje se na fenomenu akustične kavitacije. Spajanjem ultrazvuka velike snage u tekućine? kaše, izmjenični valovi niskog i visokog tlaka u tekućinama stvaraju male vakuumske mjehuriće. Male vakuumske šupljine rastu tijekom različitih ciklusa niskog/visokog tlaka sve dok snažno ne eksplodiraju. Vakuumski mjehurići koji se kolabiraju mogu se smatrati mikroreaktorima u kojima su temperature do 5000 K, pritisci do 1000 atm i brzine zagrijavanja i hlađenja iznad 10^-10 pojaviti se. Nadalje, stvaraju se jake hidrodinamičke sile smicanja i mlazevi tekućine s brzinom do 280 m/s. Ovi ekstremni uvjeti akustične kavitacije stvaraju izvanredne fizikalne i kemijske uvjete u inače hladnim tekućinama i stvaraju povoljno okruženje za kemijske reakcije (tzv. Sonokemija).

Ultrazvučno generirana kavitacija može potaknuti termolizu otopljenih tvari kao i stvaranje visoko reaktivnih radikala i reagensa, kao što su slobodni radikali, hidroksidni ioni (•OH,) hidronij (H₃O+) itd., koji osiguravaju izvanredne reaktivne uvjete u tekućini tako da se brzina reakcije značajno povećava. Čvrste tvari kao što su čestice se ubrzavaju mlazovima tekućine i melju interpartikularnim sudarom i abrazijom povećavajući aktivnu površinu, a time i prijenos mase.
Velika prednost ultrazvučnog ispiranja i dobivanja metala je precizna kontrola parametara procesa kao što su amplituda, tlak i temperatura. Ovi parametri omogućuju prilagodbu uvjeta reakcije točno na procesni medij i ciljani učinak. Nadalje, ultrazvučno ispiranje uklanja čak i najmanje metalne čestice sa supstrata, a istovremeno čuva mikrostrukture. Poboljšani oporavak metala rezultat je ultrazvučnog stvaranja visoko reaktivnih površina, povećane brzine reakcije i poboljšanog prijenosa mase. Procesi ultrazvuka mogu se optimizirati utjecajem na svaki parametar i stoga su ne samo vrlo učinkoviti, već i visoko energetski učinkoviti.
Njegova točna kontrola parametara i energetska učinkovitost čine ultrazvučno ispiranje povoljnom i izvrsnom tehnikom – posebno u usporedbi s kompliciranim tehnikama ispiranja kiselinom i keliranja.

Ultrazvučni oporavak LiCoO₂ iz istrošenih litij-ionskih baterija

Ultrasonication pomaže reduktivno ispiranje i kemijsko taloženje, koji se koriste za oporavak Li kao Li₂CO₃ i Co kao Co(OH)₂ iz otpadnih litij-ionskih baterija.
Zhang i sur. (2014) izvješćuju o uspješnoj obnovi LiCoO₂ pomoću ultrazvučnog reaktora. da bi pripremili početnu otopinu od 600mL, stavili su 10g neispravnog LiCoO₂ praha u čaši i dodano je 2,0 mol/L otopine LiOH, koje su pomiješane.
Smjesa je izlivena u ultrazvučno zračenje i uređaj za miješanje je pokrenut, uređaj za miješanje je postavljen u unutrašnjost reakcijske posude. Zagrijana je na 120◦C, a zatim je Ultrazvučni uređaj je postavljen na 800 W, a ultrazvučni način djelovanja je postavljen na pulsne radne cikluse od 5 sekundi. UKLJUČENO? 2 sek. ISKLJUČENO. Ultrazvučno zračenje je primijenjeno 6 sati, a zatim je reakcijska smjesa ohlađena na sobnu temperaturu. Čvrsti ostatak je nekoliko puta ispran deioniziranom vodom i osušen na 80°C do konstantne težine. Dobiveni uzorak je prikupljen za naknadno ispitivanje i proizvodnju baterije. Kapacitet punjenja u prvom ciklusu je 134,2 mAh/g, a kapacitet pražnjenja 133,5 mAh/g. Učinkovitost prvog punjenja i pražnjenja bila je 99,5%. Nakon 40 ciklusa, kapacitet pražnjenja je i dalje 132.9mAh/g. (Zhang i dr. 2014.)
 

 
Ultrazvučno ispiranje s organskim kiselinama kao što je limunska kiselina nije samo učinkovito, već je i ekološki prihvatljivo. Istraživanja su pokazala da je ispiranje Co i Li učinkovitije s limunskom kiselinom nego s anorganskim kiselinama H2SO4 i HCl. Iz istrošenih litij-ionskih baterija izvučeno je više od 96% Co i gotovo 100% Li. Činjenica da su organske kiseline kao što su limunska kiselina i octena kiselina jeftine i biorazgradive, doprinosi daljnjim ekonomskim i ekološkim prednostima sonikacije.

Industrijski ultrazvuk velike snage za ispiranje metala iz istrošenih baterija

Hielscher Ultrasonics je vaš dobavljač s dugogodišnjim iskustvom za visoko učinkovite i pouzdane ultrazvučne sustave, koji isporučuju potrebnu snagu za ispiranje metala iz otpadnih materijala. Za ponovnu obradu litij-ionskih baterija ekstrakcijom metala poput kobalta, litija, nikla i mangana neophodni su moćni i robusni ultrazvučni sustavi. Industrijske jedinice Hielscher Ultrasonics kao što su UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) i UIP16000 (16kW) najsnažniji su i najsnažniji ultrazvučni sustavi visokih performansi na tržištu. Sve naše industrijske jedinice mogu kontinuirano raditi s vrlo visokim amplitudama do 200 µm u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscher ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad pri teškim uvjetima rada iu zahtjevnim okruženjima. Hielscher isporučuje i posebne sonotrode i reaktore za visoke temperature, tlakove i korozivne tekućine. To čini naše industrijske ultrazvučne uređaje najprikladnijima za tehnike ekstraktivne metalurgije, npr. hidrometalurške tretmane.

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

---

---

Literatura/Reference

• 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.