Hielscher Ultrasonics
Bit će nam drago razgovarati o vašem procesu.
Nazovite nas: +49 3328 437-420
Pošaljite nam e-mail: info@hielscher.com

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.

Zahtjev za informacije




Imajte na umu naše politika privatnosti.




Hielscherovi ultrazvučni uređaji pouzdani su i robusni sustavi za ispiranje metala.

48kW ultrazvučni procesorza zahtjevne primjene kao što je ispiranje metala

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.

 

Snažna ultrazvučna kavitacija na Hielscher Cascatrode

Snažna ultrazvučna kavitacija na Hielscher Cascatrode

 

Zahtjev za informacije




Imajte na umu naše politika privatnosti.




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).
Industrijski ultrazvučni reaktor s više sondi za oporavak metala iz istrošenih Li-ion baterija. Ultrazvučno ispiranje daje visoke prinose obnavljanja litija, kobalta, bakra, aluminija i nikla.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 ispiranje u recikliranju istrošenih Li-Ion baterija. (Kliknite za povećanje!)

Ultrazvučno ispiranje metala iz istrošenog baterijskog otpada.

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.)
 

Ultrasonication tipa Proby poboljšava ispiranje i oporavak plemenitih metala i materijala iz istrošenih Li-ion baterija. Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučne aparate "ključ u ruke" spremne za ugradnju u pogon za recikliranje baterija za poboljšane prinose recikliranja.

Upotrijebljeni kristali LiCoO2 prije (a) i nakon (b) ultrazvučnog tretmana na 120◦C tijekom 6 sati.Studija i slike: ©Zhang et al. 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

UIP4000hdT - Hielscherov ultrazvučni sustav visokih performansi od 4kW 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:

Volumen serije Protok Preporučeni uređaji
0.1 do 20L 0.2 do 4L/min UIP2000hdT
10 do 100l 2 do 10L/min UIP4000hdT
20 do 200L 4 do 20L/min UIP6000hdT
na 10 do 100L/min UIP16000
na veći klaster od UIP16000

Kontaktirajte nas!? Pitajte nas!

Molimo koristite obrazac u nastavku, ako želite zatražiti dodatne informacije o ultrazvučnoj homogenizaciji. Bit će nam drago ponuditi vam ultrazvučni sustav koji će zadovoljiti vaše zahtjeve.









Imajte na umu naše politika privatnosti.






Činjenice koje vrijedi znati

Litij-ionske baterije

Litij-ionske baterije (LIB) zajednički su naziv za (punjive) baterije koje nude visoku gustoću energije i često su integrirane u potrošačku elektroniku kao što su elektronički automobili, hibridni automobili, prijenosna računala, mobiteli, iPod, itd. U usporedbi s druge varijante punjivih baterija slične veličine i kapaciteta, LIB-ovi su znatno lakši.
Za razliku od primarne litijske baterije za jednokratnu upotrebu, LIB kao svoju elektrodu koristi interkalirani litijev spoj umjesto metalnog litija. Glavni sastojci litij-ionske baterije su njezine elektrode – anoda i katoda – i elektrolit.
Većina ćelija dijeli zajedničke komponente u smislu elektrolita, separatora, folija i kućišta. Glavna razlika između staničnih tehnologija je materijal koji se koristi kao “aktivnih materijala” kao što su katoda i anoda. Grafit je najčešće korišteni materijal kao anoda, dok je katoda izrađena od slojevitog LiMO2 (M = Mn, Co i Ni), spinela LiMn2O4, ili olivin LiFePO4. Organski tekući elektroliti elektrolita (npr. sol LiPF6 otopljena u mješavini organskih otapala, kao što su etilen karbonat (EC), dimetil karbonat (DMC), dietil karbonat (DEC), etil metil karbonat (EMC) itd.) omogućuju ionsko kretanje.
Ovisno o materijalima pozitivne (katoda) i negativne (anoda) elektrode, gustoća energije i napon LIB-ova variraju.
Kada se koristi u električnim vozilima, često se koristi baterija za električna vozila (EVB) ili pogonska baterija. Takve vučne baterije koriste se u viličarima, električnim kolicima za golf, mašinama za pranje podova, električnim motociklima, električnim automobilima, kamionima, kombijima i drugim električnim vozilima.

Recikliranje metala iz istrošenih Li-Ion baterija

U usporedbi s drugim vrstama baterija koje često sadrže olovo ili kadmij, Li-ion baterije sadrže manje toksičnih metala i stoga se smatraju ekološki prihvatljivima. Međutim, velika količina istrošenih Li-ion baterija, koje će se morati zbrinuti kao istrošene baterije iz električnih automobila, predstavlja problem otpada. Stoga je nužna zatvorena petlja recikliranja Li-ion baterija. S ekonomskog gledišta, metalni elementi poput željeza, bakra, nikla, kobalta i litija mogu se obnoviti i ponovno upotrijebiti u proizvodnji novih baterija. Recikliranje bi također moglo spriječiti buduću nestašicu.
Iako na tržište dolaze baterije s većim sadržajem nikla, nije moguće proizvesti baterije bez kobalta. Veći udio nikla ima svoju cijenu: s povećanim udjelom nikla smanjuje se stabilnost baterije i time se smanjuje njezin životni vijek i sposobnost brzog punjenja.

Rastuća potražnja za Li-ion baterijama. Izvor: Deutsche Bank

Rastuća potražnja za Li-ion baterijama zahtijeva povećanje kapaciteta za recikliranje otpadnih baterija.

Proces recikliranja

Baterije električnih vozila kao što je Tesla Roadster imaju približni vijek trajanja od 10 godina.
Recikliranje istrošenih litij-ionskih baterija zahtjevan je proces jer su uključeni visoki napon i opasne kemikalije, što dolazi s rizicima od toplinskog bijega, strujnog udara i emisije opasnih tvari.
Kako bi se uspostavila zatvorena petlja recikliranja, svaka kemijska veza i svi elementi moraju se razdvojiti u svoje pojedinačne frakcije. Međutim, energija potrebna za takvo recikliranje u zatvorenom krugu vrlo je skupa. Najvrjedniji materijali za oporabu su metali kao što su Ni, Co, Cu, Li itd. budući da skupo rudarenje i visoke tržišne cijene metalnih komponenti čine recikliranje ekonomski atraktivnim.
Proces recikliranja Li-ion baterija počinje rastavljanjem i pražnjenjem baterija. Prije otvaranja baterije potrebna je pasivizacija kako bi se deaktivirale kemikalije u bateriji. Pasivacija se može postići kriogenim zamrzavanjem ili kontroliranom oksidacijom. Ovisno o veličini baterije, baterije se mogu rastaviti i rastaviti do ćelije. Nakon rastavljanja i drobljenja, komponente se izoliraju pomoću nekoliko metoda (npr. prosijavanje, prosijavanje, ručno branje, magnetsko, mokro i balističko odvajanje) kako bi se uklonila kućišta ćelija, aluminij, bakar i plastika iz praha elektrode. Odvajanje materijala elektroda je neophodno za nizvodne procese, npr. hidrometaluršku obradu.
piroliza
Za pirolitičku obradu, usitnjene baterije se tale u peći gdje se dodaje vapnenac kao sredstvo za stvaranje troske.

Hidrotermalni procesi
Hidrometalurška obrada temelji se na kiselim reakcijama kako bi se soli istaložile kao metali. Tipični hidrometalurški procesi uključuju ispiranje, taloženje, ionsku izmjenu, ekstrakciju otapalom i elektrolizu vodenih otopina.
Prednost hidrotermalne obrade je visok prinos oporabe od +95% Ni i Co kao soli, +90% Li može se istaložiti, a ostatak se može oporabiti do +80%.

Osobito je kobalt kritična komponenta u katodama litij-ionskih baterija za aplikacije visoke energije i snage.
Trenutačni hibridni automobili poput Toyote Prius koriste nikal-metal-hidridne baterije koje se rastavljaju, prazne i recikliraju na sličan način kao Li-ionske baterije.

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.

Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne uređaje visokih performansi.

Snažna sonikacija od laboratorijske i stolne do industrijske proizvodnje.

Bit će nam drago razgovarati o vašem procesu.

Let's get in contact.