• Litij-ionske baterije koje se koriste u električnim automobilima tek dolaze na masovno tržište i s njim se moraju razvijati kapaciteti recikliranja.
• Ultrazvučno ispiranje je učinkovita, ekološki prihvatljiva tehnika za oporavak metala kao što su Li, Mg, Co, Ni itd. Iz potrošenih li-ion baterija.
• Hielscher industrijski ultrazvučni sustavi za ispiranje aplikacije su pouzdani i robusni i mogu se lako integrirati u postojeće postrojenja za recikliranje.

Recikliranje litij-ionskih baterija

Litij-ionske baterije su naširoko koristi u električnim vozilima (EV), prijenosna računala i mobiteli. To znači da su potrošena litij-ionske baterije Trenutačni izazov u pogledu gospodarenja otpadom i recikliranja. Baterije su glavni pokretač za EVs, a njihovo odlaganje je skupo. Ekološki i ekonomični aspekti guraju zatvorene reciklažu dok otpad od akumulatora sadrži vrijedne materijale i pomaže smanjiti ugljični otisak proizvodnje litij-ionskih baterija.
Recikliranje li-ion baterija raste na uspješan sektor industrije kako bi se osigurala buduća dostupnost metala rijetkih zemlja i ostalih komponenti baterije i smanjiti troškove zaštite okoliša rudarstva.

Pirometallurgical i hidrometalurško recikliranje vs ultrazvučno recikliranje baterija

U nastavku ćemo usporediti konvencionalne metode pirotehničkih i hidrometalurških procesa s ultrazvučnom tehnikom ispiranja s obzirom na prednosti i nedostatke.

Nedostaci konvencionalnog recikliranja baterija

Tradicionalne metode koje se koriste za recikliranje litij-ionskih baterija uključuju pirometrourške i hidrometalurške procese.
 
Pirometallurške metode uključuju visokotemperaturne procese kao što su taljenje ili spaljivanje. Baterije su podvrgnute ekstremnoj toplini, uzrokujući izgaranje organskih komponenti, a preostale metalne komponente se tope i odvajaju. Međutim, ove metode imaju neke nedostatke:

• Utjecaj na okoliš: Pirometallurgijski procesi ispuštaju štetne emisije i onečišćujuće tvari 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: Te metode obično zahtijevaju znatan unos energije, što povećava operativne troškove i ekološki otisak.

 
Hidrometalurške metode uključuju kemijsko ispiranje kako bi se otopile komponente baterije i izvukli vrijedni metali. Iako je ekološki prihvatljivija od pirometrourških metoda, hidrometalurgija ima svoje nedostatke:

• Kemijska upotreba: Za ispiranje su potrebne jake kiseline ili druge korozivne kemikalije, što izaziva zabrinutost u pogledu rukovanja kemikalijama, gospodarenja otpadom i potencijalne kontaminacije okoliša.
• Izazovi selektivnosti: Postizanje selektivnog ispiranja željenih metala može biti teško, što dovodi do nižih stopa oporavka i potencijalnog gubitka vrijednih resursa.

 

Prednosti ultrazvučnog ispiranja baterija u odnosu na konvencionalne tehnike

U usporedbi s obje, pirometrourške i hidrometalurške tehnike recikliranja, ultrazvučna tehnika recikliranja baterija nadmašuje zbog različitih prednosti:

1. Poboljšana učinkovitost: Ultrazvučna ultrazvukom može ubrzati kvar materijala baterije, što rezultira kraćim vremenom obrade i većom ukupnom učinkovitošću.
2. Poboljšane stope oporavka: Kontrolirana primjena ultrazvučne kavitacije poboljšava razgradnju komponenti baterije, povećavajući stope oporavka vrijednih metala.
3. Ekološki: Ultrazvučno recikliranje smanjuje oslanjanje na visoke temperature i oštre kemikalije, minimizirajući utjecaj na okoliš i smanjujući emisije onečišćujućih tvari.
4. Selektivno ispiranje: Kontrolirana primjena ultrazvuka omogućuje ciljano ometanje određenih komponenti unutar baterije, učinkovito ih odvajajući. Budući da se različiti spojevi baterija koji se mogu reciklirati uklanjaju otopljeni pod specifičnim ultrazvučnim intenzitetima, optimizirani parametri obrade omogućuju selektivno ispiranje pojedinih materijala. To olakšava učinkovito odvajanje vrijednih metala i materijala.
5. Smanjena potrošnja energije: U usporedbi s obje, hidrometalurški, a posebno pirometrourškim metodama, ultrazvučno recikliranje je općenito energetski učinkovitije, što dovodi do nižih operativnih troškova i smanjenog ugljičnog otiska.
6. Skalabilnost i fleksibilnost: Ultrazvučni sustavi mogu se lako povećati gore ili dolje kako bi se prilagodili različitim veličinama baterija i proizvodnim kapacitetima. Osim toga, ultrasonicators za recikliranje baterija može se lako integrirati u već postojeće postrojenja za recikliranje baterija. Lako dostupan na različitim vagama snage i odgovarajući pribor kao što su ultrazvučne sonde i reaktori stanica protoka, ultrasonicators može rukovati baterijama komponente 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 pojačalo i poboljšalo hidrometalurško ispiranje vrijednih metala i materijala iz istrošenih Li-ion baterija.

Sve u svemu, ultrazvučno recikliranje baterija pokazuje obećanje kao ekološki prihvatljivija, učinkovitija i selektivna metoda u usporedbi s tradicionalnim pirometrourškim i hidrometalurškim pristupima.

 

Industrijsko ultrazvučno ispiranje za oporavak metala od istrošenih baterija

Ultrazvučno ispiranje i ekstrakcija metala mogu se primijeniti na recikliranje baterija litijevog kobaltnog oksida (npr. Iz prijenosnih računala, pametnih telefona itd.), Kao i složenih baterija litij-niklom-mangan-kobalt (npr. Iz električnih vozila).
Ultrazvučna snaga velike snage dobro je poznata po svojoj sposobnosti obrade kemijskih tekućina i suspenzija kako bi se poboljšao prijenos mase i pokrenuo kemijske reakcije.
Intenzivni učinci ultrazvučne snage temelje se na fenomenu akustične kavitacije. Spajanjem ultrazvuka velike snage u tekućine / muljevite, izmjenični niskotlačni i visokotlačni valovi u tekućinama stvaraju mala mjehurića vakuuma. Malo vakuumske šupljine rastu preko različitih ciklusa niskotlačnog / visokotlačnog tlaka sve dok imploda ne proguta. Kolabirajući vakuumski mjehurići mogu se smatrati mikroreaktorima u kojima temperature do 5000K, tlak do 1000m, a stope grijanja i hlađenja iznad 10^-10 pojaviti. Nadalje, stvaraju se jake hidrodinamičke sile smicanja i tekući mlazovi brzine do 280 m/s. Ovi ekstremni uvjeti akustične kavitacije stvaraju izvanredne fizičke i kemijske uvjete u inače hladnim tekućinama i stvaraju korisno okruženje za kemijske reakcije (tzv. ultrazvučna kemija).

Ultrazvučno generirana kavitacija može inducirati termolizu otapala, kao i stvaranje visoko reaktivnih radikala i reagensa, poput slobodnih radikala, hidroksidnih iona (OH,) hidriona (H₃O +) itd., Koji pružaju izvanredne reaktivne uvjete u tekućini tako da se stopa reakcije značajno povećava. Čvrste tvari kao što su čestice se ubrzavaju tekućim mlazom i melje se međusobnim sudaranjem i abrazijom, čime se povećava aktivna površina i time maseni prijenos.
Velika prednost ultrazvučnog ispiranja i obnavljanja metala je precizna kontrola nad procesnim parametrima, kao što su amplituda, tlak i temperatura. Ovi parametri omogućuju prilagodbu reakcijskih uvjeta točno na procesni medij i ciljani izlaz. Nadalje, ultrazvučno ispiranje uklanja čak i najmanjih metalnih čestica iz supstrata, uz očuvanje mikrostruktura. Poboljšani oporavak metala posljedica je ultrazvučnog stvaranja visoko reaktivnih površina, povećanih brzina reakcije i poboljšanog prijenosa mase. Sonication procesi mogu biti optimizirani utjecajem svakog parametra i stoga nisu samo vrlo učinkoviti, već i vrlo energetski učinkoviti.
Njegova točna kontrola parametara i energetska učinkovitost čine ultrazvučnu ispiranje povoljne i izvrsne tehnike – osobito u usporedbi s kompliciranim postupcima ispiranja kisika i kelatiranjem.

Ultrazvučni oporavak LiCoO₂ od potrošenih litij-ionskih baterija

Ultrasonication pomaže reduktivnom ispiranju i kemijskim oborama, koji se koriste za oporavak Li kao Li₂ko₃ i Co kao Co (OH)₂ od otpadnih litij-ionskih baterija.
Zhang et al. (2014) izvješćuju o uspješnom oporavku LiCoO₂ pomoću ultrazvučnog reaktora. kako bi se pripremila početna otopina od 600 mL, stavili su 10 g nevidljivog LiCoO₂ prah u čaši i dodano 2.0 mola / L LiOH otopine, koje su bile pomiješane.
Smjesa je izlivena u ultrazvučno ozračivanje, a uređaj za miješanje započeo, uređaj za miješanje stavljen je u unutrašnjost spremnika za reakciju. Grijana je na 120 ° C, a zatim na ultrazvučni uređaj bio je podešen na 800 W i ultrazvučni način djelovanja bio je podešen na pulsirajuće cikluse rada od 5 sekundi. ON / 2sec. OFF. Ultrazvučno zračenje primijenjeno je tijekom 6 sati, a zatim je reakcijska smjesa ohlađena na sobnu temperaturu. Kruti ostatak je nekoliko puta ispran deioniziranom vodom i osušen na 80 ° C do konstantne težine. Dobiveni uzorak prikupljen je za naknadno ispitivanje i proizvodnju baterije. Kapacitet punjenja u prvom ciklusu iznosi 134.2mAh / g, a kapacitet ispuštanja iznosi 133.5mAh / g. Prva razina napunjenosti i pražnjenja bila je 99,5%. Nakon 40 ciklusa, kapacitet ispuštanja je još uvijek 132.9mAh / g. (Zhang et al., 2014)
 

 
Ultrazvučno ispiranje organskim kiselinama kao što je limunska kiselina nije samo učinkovito, već i ekološki prihvatljivo. Istraživanje je pokazalo da je ispiranje Co i Li učinkovitije s limunskom kiselinom nego s anorganskim kiselinama H2SO4 i HCl. Više od 96% Co i gotovo 100% Li oporavljeno je iz istrošenih litij-ionskih baterija. Činjenica da su organske kiseline kao što su limunska kiselina i octena kiselina jeftine i biorazgradive, pridonosi daljnjim ekonomskim i ekološkim prednostima ultrazvukom.

Industrijska ultrazvuka velike snage za ispiranje metala iz istrošenih baterija

Hielscher Ultrasonics je vaš dugogodišnji iskusni dobavljač za visoko učinkovite i pouzdane ultrazvučne sustave, koji isporučuju potrebnu snagu za ispiranje metala iz otpadnih materijala. Kako bi se ponovno obradile li-ionske baterije vađenjem metala kao što su kobalt, litij, nikal i mangan, neophodni su snažni i robusni ultrazvučni sustavi. Hielscher Ultrasonics industrijske jedinice kao što su UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) i UIP16000 (16kW) su najmoćniji i robusni ultrazvučni sustavi visokih performansi na tržištu. Sve naše industrijske jedinice mogu se kontinuirano izvoditi s vrlo visokim amplitudama do 200 μm u 24/7 radu. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscher ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad u teškim uvjetima iu zahtjevnim okruženjima. Hielscher isporučuje posebne sonotrode i reaktore za visoke temperature, tlakove i korozivne tekućine. To čini naše industrijske ultrasonicators najprikladnije za ekstraktivne metalurgijske tehnike, npr hidrometalurške tretmane.

Tablica u nastavku daje vam pokazatelj približne mogućnosti 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.