Ultrahangos lítium-ion akkumulátorok újrahasznosításához

  • Az elektromos autókban használt lítium-ion akkumulátorok csak most kerülnek a tömegpiacra, és ezzel együtt az újrahasznosítási kapacitásokat is fejleszteni kell.
  • Az ultrahangos kioldódás hatékony, környezetbarát technika a fémek, például Li, Mg, Co, Ni stb. visszanyerésére a kiégett Li-ion akkumulátorokból.
  • A Hielscher ipari ultrahangos rendszerei a kimosódási alkalmazásokhoz megbízhatóak és robusztusak, és könnyen integrálhatók a meglévő újrahasznosító üzemekbe.

Lítium-ion akkumulátorok újrahasznosítása

A lítium-ion akkumulátorokat széles körben használják elektromos járművekben (EV), laptopokban és mobiltelefonokban. Ez azt jelenti, hogy a kimerült lítium-ion akkumulátorok jelentik a jelenlegi kihívást a hulladékgazdálkodás és az újrahasznosítás terén. Az akkumulátorok jelentős költségtényezőt jelentenek az elektromos járművek számára, és ártalmatlanításuk is költséges. A környezeti és gazdasági szempontok zárt újrahasznosítási kört szorgalmaznak, mivel az akkumulátorhulladék értékes anyagokat tartalmaz, és segít csökkenteni a lítium-ion akkumulátorok gyártásának szénlábnyomát.
A lítium-ion akkumulátorok újrahasznosítása virágzó iparággá nő annak érdekében, hogy biztosítsa a ritkaföldfémek és más akkumulátor-alkatrészek jövőbeli elérhetőségét, és csökkentse a bányászat környezeti költségeit.

Információkérés




Vegye figyelembe a Adatvédelem.


A Hielscher ultrahangos készülékei megbízható és robusztus rendszerek a fémek kioldódásához.

48kW ultrahangos processzor
nagy igénybevételt jelentő alkalmazásokhoz, például fémek kioldásához

Pirometallurgiai és hidrometallurgiai újrahasznosítás vs ultrahangos akkumulátor újrahasznosítás

Az alábbiakban összehasonlítjuk a pirometallurgiai és hidrometallurgiai folyamatok hagyományos módszereit az ultrahangos kioldódási technikával az előnyök és hátrányok tekintetében.

A hagyományos akkumulátor-újrahasznosítás hátrányai

A lítium-ion akkumulátorok újrahasznosítására használt hagyományos módszerek közé tartoznak a pirometallurgiai és hidrometallurgiai folyamatok.
 
Pirometallurgiai módszerek magas hőmérsékletű folyamatokat, például olvasztást vagy égetést foglalnak magukban. Az akkumulátorok szélsőséges hőnek vannak kitéve, ami a szerves alkatrészek leégését okozza, a fennmaradó fém alkatrészek pedig megolvadnak és elválnak. Ezeknek a módszereknek azonban vannak hátrányai:

  • Környezeti hatás: A pirometallurgiai folyamatok káros kibocsátásokat és szennyező anyagokat bocsátanak ki a légkörbe, hozzájárulva a légszennyezéshez és potenciálisan egészségügyi veszélyeket okozva.
  • Anyagveszteség: A magas hőmérsékletű folyamatok értékes anyagok és fémek elvesztését eredményezhetik a termikus lebomlás miatt, csökkentve az általános visszanyerési sebességet.
  • Energiaigényes: Ezek a módszerek jellemzően jelentős energiabevitelt igényelnek, ami növeli a működési költségeket és a környezeti lábnyomot.

 
Hidrometallurgiai módszerek kémiai kioldódással oldja fel az akkumulátor alkatrészeit és vonja ki az értékes fémeket. Míg a pirometallurgiai módszereknél környezetbarátabb, a hidrometallurgiának saját hátrányai vannak:

  • Vegyszerhasználat: A kimosódáshoz erős savakra vagy más maró hatású vegyi anyagokra van szükség, ami aggályokat vet fel a vegyi anyagok kezelésével, a hulladékgazdálkodással és a lehetséges környezetszennyezéssel kapcsolatban.
  • A szelektivitás kihívásai: A kívánt fémek szelektív kioldódásának elérése nehéz lehet, ami alacsonyabb visszanyerési arányhoz és értékes erőforrások potenciális elvesztéséhez vezethet.

 

Az ultrahangos akkumulátor kioldódásának előnyei a hagyományos technikákkal szemben

Összehasonlítva mind a pirometallurg, mind a hidrometallurgiai újrahasznosítási technikákkal, az ultrahangos akkumulátor újrahasznosítási technika különböző előnyök miatt felülmúlja:

  1. Fokozott hatékonyság: Az ultrahangos ultrahangos kezelés felgyorsíthatja az akkumulátor anyagainak lebontását, ami rövidebb feldolgozási időt és nagyobb általános hatékonyságot eredményez.
  2. Jobb visszanyerési arányok: Az ultrahangos kavitáció ellenőrzött alkalmazása fokozza az akkumulátor alkatrészeinek lebontását, növelve az értékes fémek visszanyerési arányát.
  3. Környezetbarát: Az ultrahangos újrahasznosítás csökkenti a magas hőmérsékletektől és a kemény vegyi anyagoktól való függést, minimalizálja a környezeti hatásokat és csökkenti a szennyező anyagok kibocsátását.
  4. Szelektív kimosódás: Az ultrahang ellenőrzött alkalmazása lehetővé teszi az akkumulátor bizonyos összetevőinek célzott megzavarását, hatékonyan elválasztva őket. Mivel a különböző újrahasznosítható akkumulátorvegyületeket meghatározott ultrahangos intenzitással oldják fel, az optimalizált feldolgozási paraméterek lehetővé teszik az egyes anyagok szelektív kioldódását. Ez megkönnyíti az értékes fémek és anyagok hatékony szétválasztását.
  5. Csökkentett energiafogyasztás: Összehasonlítva mindkettővel, a hidrometallurgiai és különösen a pirometallurgiai módszerekkel, az ultrahangos újrahasznosítás általában energiahatékonyabb, ami alacsonyabb működési költségeket és alacsonyabb szénlábnyomot eredményez.
  6. Méretezhetőség és rugalmasság: Az ultrahangos rendszerek könnyen méretezhetők felfelé vagy lefelé, hogy megfeleljenek a különböző akkumulátorméreteknek és termelési kapacitásoknak. Továbbá, ultrahangos készülékek az akkumulátor újrahasznosítására könnyen integrálható a már meglévő akkumulátor újrahasznosító létesítmények. Könnyen elérhető különböző teljesítményskálákon és megfelelő tartozékokon, például ultrahangos szondákon és áramlási cellás reaktorokon, az ultrahangos készülékek különböző méretű és termelési kapacitású akkumulátor-alkatrészeket kezelhetnek, méretezhetőséget és alkalmazkodóképességet biztosítva az újrahasznosítási folyamatokban.
  7. Szinergikus integráció: Az ultrahangos kioldódás integrálható a meglévő hidrometallurgiai akkumulátor-újrahasznosító vonalakba annak érdekében, hogy fokozza és javítsa az értékes fémek és anyagok hidrometallurgiai kimosódását a használt Li-ion akkumulátorokból.

Összességében az ultrahangos akkumulátor-újrahasznosítás ígéretesebb, mint környezetbarátabb, hatékonyabb és szelektívebb módszer, mint a hagyományos pirometallurgiai és hidrometallurgiai megközelítések.

 

Erőteljes ultrahangos kavitáció a Hielscher Cascatrode-nál

Erőteljes ultrahangos kavitáció a Hielscher Cascatrode-nál

 

Információkérés




Vegye figyelembe a Adatvédelem.


Ipari ultrahangos kioldódás a fém visszanyeréséhez a kiégett akkumulátorokból

Az ultrahangos kioldódás és a fémkivonás alkalmazható a lítium-kobalt-oxid akkumulátorok újrahasznosítási folyamataira (pl. Laptopokból, okostelefonokból stb.), Valamint összetett lítium-nikkel-mangán-kobalt akkumulátorok (pl. Elektromos járművekből).
Ipari multi-probe ultrahangos reaktor fém visszanyerésére a használt Li-ion akkumulátorokból. Az ultarsonic kioldás nagy visszanyerési hozamot biztosít lítium, kobalt, réz, alumínium és nikkel esetében.A nagy teljesítményű ultrahang jól ismert a kémiai folyadékok és szuszpenziók feldolgozására való képességéről a tömegátadás javítása és a kémiai reakciók elindítása érdekében.
A teljesítmény ultrahangos kezelésének intenzív hatásai az akusztikus kavitáció jelenségén alapulnak. A nagy teljesítményű ultrahang folyadékokba / szuszpenziókba történő összekapcsolásával a folyadékokban váltakozó alacsony nyomású és nagynyomású hullámok kis vákuumbuborékokat generálnak. A kis vákuumüregek különböző alacsony nyomású / nagynyomású ciklusok alatt nőnek, amíg az implovál hevesen fel nem robban. Az összeomló vákuumbuborékok mikroreaktoroknak tekinthetők, amelyekben a hőmérséklet legfeljebb 5000 K, a nyomás akár 1000 atm, a fűtési és hűtési sebesség pedig meghaladja a 10-et-10 előfordul. Ezenkívül erős hidrodinamikai nyíróerők és akár 280 m/s sebességű folyadéksugarak keletkeznek. Ezek az akusztikus kavitáció szélsőséges körülményei rendkívüli fizikai és kémiai feltételeket teremtenek az egyébként hideg folyadékokban, és kedvező környezetet teremtenek a kémiai reakciókhoz (úgynevezett Sonokémia).

Ultrahangos kioldódás a használt Li-ion akkumulátorok újrahasznosításában. (Kattintson a nagyításhoz!)

A fémek ultrahangos kioldódása a kimerült akkumulátorhulladékból.

Az ultrahanggal generált kavitáció az oldott anyagok termolízisét, valamint erősen reaktív gyökök és reagensek, például szabad gyökök, hidroxidionok (•OH,) hidronium (H3O+) stb., amelyek rendkívüli reakciókörülményeket biztosítanak a folyadékban, így a reakciósebesség jelentősen megnő. A szilárd anyagokat, például a részecskéket a folyadéksugarak felgyorsítják, és az egyes ütközések és kopások révén őrlik, növelve az aktív felületet és ezáltal a tömegátadást.
Az ultrahangos kioldódás és a fém visszanyerésének nagy előnye a folyamatparaméterek, például az amplitúdó, a nyomás és a hőmérséklet pontos ellenőrzése. Ezek a paraméterek lehetővé teszik a reakciófeltételek pontos beállítását a folyamatközeghez és a célzott kimenethez. Továbbá az ultrahangos kioldódás eltávolítja a legkisebb fémrészecskéket is az aljzatból, miközben megőrzi a mikrostruktúrákat. A fokozott fémvisszanyerés az erősen reaktív felületek ultrahangos létrehozásának, a megnövekedett reakciósebességnek és a jobb tömegszállításnak köszönhető. Az ultrahangos folyamatok optimalizálhatók az egyes paraméterek befolyásolásával, és ezért nemcsak nagyon hatékonyak, hanem rendkívül energiahatékonyak is.
Pontos paraméterszabályozása és energiahatékonysága kedvező és kiváló technikává teszi az ultrahangos kioldódást – Különösen a bonyolult savkioldási és kelátképző technikákkal összehasonlítva.

A LiCoO ultrahangos helyreállítása2 a kimerült lítium-ion akkumulátoroktól

Az ultrahangos kezelés segíti a reduktív kioldódást és a kémiai csapadékot, amelyeket Li Li Li visszanyerésére használnak2CO3 és Co mint Co(OH)2 hulladék lítium-ion akkumulátorokból.
Zhang et al. (2014) beszámol a LiCoO sikeres helyreállításáról2 ultrahangos reaktor használatával. a 600 ml-es kiindulási oldat elkészítéséhez 10 g érvénytelen LiCoO-t helyeztek el2 port poroltunk egy főzőpohárban, és hozzáadtunk 2,0 mol/l LiOH-oldatot, amelyeket összekevertünk.
A keveréket az ultrahangos besugárzásba öntöttük, és a keverőberendezés elindult, a keverőberendezést a reakciótartály belsejébe helyeztük. 120 ° C-ra melegítették, majd a Ultrahangos készülék 800 W-ra volt állítva, és az ultrahangos hatásmódot 5 másodperces impulzusos munkaciklusokra állították be / 2 másodperc KI. Az ultrahangos besugárzást 6 órán át alkalmaztuk, majd a reakcióelegyet szobahőmérsékletre hűtöttük. A szilárd maradékot többször mossuk ionmentes vízzel, és 80 ° C-on szárítottuk, amíg tömeg állandó nem lett. A kapott mintát összegyűjtötték a későbbi teszteléshez és az akkumulátor gyártásához. Az első ciklus töltési kapacitása 134.2mAh / g, a kisülési kapacitás pedig 133.5mAh / g. Az első töltési és kisütési hatékonyság 99,5% volt. 40 ciklus után a kisülési kapacitás még mindig 132.9mAh / g. (Zhang et al. 2014)
 

A Proby típusú ultrahangos kezelés javítja a nemesfémek és anyagok kimosódását és visszanyerését a használt Li-ion akkumulátorokból. A Hielscher Ultrasonics kulcsrakész ultrahangos készülékeket szállít, amelyek készen állnak az akkumulátor-újrahasznosító üzembe történő telepítésre a jobb újrahasznosítási hozamok érdekében.

Használt LiCoO2 kristályok az (a) és a (b) ultrahangkezelés előtt 120 ° C-on 6 órán keresztül.
Tanulmány és képek: ©Zhang et al. 2014

 
A szerves savakkal, például citromsavval történő ultrahangos kioldódás nemcsak hatékony, hanem környezetbarát is. A kutatások azt mutatták, hogy a Co és Li kioldódása hatékonyabb citromsavval, mint a H2SO4 és HCl szervetlen savakkal. Több mint 96% Co és közel 100% Li visszanyerhető az elhasznált lítium-ion akkumulátorokból. Az a tény, hogy a szerves savak, például a citromsav és az ecetsav olcsóak és biológiailag lebonthatók, hozzájárulnak az ultrahangos kezelés további gazdasági és környezeti előnyeihez.

Nagy teljesítményű ipari ultrahang a fém kioldódásához a kiégett akkumulátorokból

UIP4000hdT - Hielscher 4kW nagy teljesítményű ultrahangos rendszere A Hielscher Ultrasonics az Ön régóta tapasztalt szállítója a rendkívül hatékony és megbízható ultrahangos rendszereknek, amelyek biztosítják a szükséges energiát a fémek hulladékanyagokból történő kioldásához. A li-ion akkumulátorok újrafeldolgozásához fémek, például kobalt, lítium, nikkel és mangán kivonásával elengedhetetlen az erős és robusztus ultrahangos rendszerek. Hielscher Ultrasonics ipari egységek, mint például az UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) és UIP16000 (16kW) a legerősebb és robusztusabb, nagy teljesítményű ultrahangrendszerek a piacon. Minden ipari egységünk folyamatosan működtethető nagyon nagy, akár 200 μm-es amplitúdóval, 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdók esetén testreszabott ultrahangos sonotrodes áll rendelkezésre. A Hielscher ultrahangos berendezés robusztussága lehetővé teszi az 24/7 működést nagy teherbírású és igényes környezetben. A Hielscher speciális sonotrodákat és reaktorokat szállít magas hőmérsékletre, nyomásra és maró folyadékokra is. Ez teszi ipari ultrahangos készülékeinket a legalkalmasabbá az extrakciós kohászati technikákhoz, pl. hidrometallurgiai kezelésekhez.

Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:

Kötegelt mennyiség Áramlási sebesség Ajánlott eszközök
0.1-től 20L-ig 0.2-től 4 liter/percig UIP2000hdT
10–100 liter 2–10 l/perc UIP4000hdT
20–200 liter 4 - 20 l / perc UIP6000hdT
n.a. 10–100 l/perc UIP16000
n.a. Nagyobb klaszter UIP16000

Kapcsolat! / Kérdezzen tőlünk!

Kérjük, használja az alábbi űrlapot, ha további információkat szeretne kérni az ultrahangos homogenizálásról. Örömmel kínálunk Önnek egy ultrahangos rendszert, amely megfelel az Ön igényeinek.









Kérjük, vegye figyelembe a Adatvédelem.




Tények, amelyeket érdemes tudni

Lítium-ion akkumulátorok

A lítium-ion akkumulátorok (LIB) a nagy energiasűrűséggel rendelkező (újratölthető) akkumulátorok gyűjtőneve, amelyeket gyakran integrálnak a fogyasztói elektronikába, például elektronikus autókba, hibrid autókba, laptopokba, mobiltelefonokba, iPodokba stb. A hasonló méretű és kapacitású újratölthető akkumulátorok más változataihoz képest a LIB-ek jelentősen könnyebbek.
Az eldobható lítium elsődleges akkumulátorral ellentétben a LIB elektródaként interkalált lítiumvegyületet használ fémes lítium helyett. A lítium-ion akkumulátor fő alkotóelemei az elektródák – Anód és katód – és az elektrolit.
A legtöbb cellának közös összetevői vannak az elektrolit, a szeparátor, a fóliák és a burkolat tekintetében. A cellatechnológiák közötti fő különbség a felhasznált anyag “aktív anyagok” mint például a katód és az anód. A grafit a leggyakrabban használt anyag anódként, míg a katód réteges LiMO2 (M = Mn, Co és Ni), spinel LiMn anyagból készül2O4vagy olivin LiFePO4. Az elektrolit szerves folyékony elektrolitok (pl. szerves oldószerek, például etilén-karbonát (EC), dimetil-karbonát (DMC), dietil-karbonát (DEC), etil-metil-karbonát (EMC) stb. keverékében oldott LiPF6-só) lehetővé teszik az ionos mozgást.
A pozitív (katód) és negatív (anód) elektróda anyagától függően a LIB-ek energiasűrűsége és feszültsége változik.
Elektromos járművekben történő használat esetén gyakran elektromos jármű akkumulátort (EVB) vagy vontatóakkumulátort használnak. Az ilyen vontatóakkumulátorokat targoncákban, elektromos golfkocsikban, padlómosókban, elektromos motorkerékpárokban, elektromos autókban, teherautókban, kisteherautókban és más elektromos járművekben használják.

Fém újrahasznosítás elhasznált Li-Ion akkumulátorokból

Más típusú akkumulátorokkal összehasonlítva, amelyek gyakran ólmot vagy kadmiumot tartalmaznak, a Li-ion akkumulátorok kevésbé mérgező fémeket tartalmaznak, ezért környezetbarátnak tekinthetők. Azonban a hatalmas mennyiségű elhasznált Li-ion akkumulátor, amelyet elektromos autókból származó elhasznált akkumulátorként kell ártalmatlanítani, hulladékproblémát jelent. Ezért szükség van a Li-ion akkumulátorok zárt újrahasznosítási körére. Gazdasági szempontból a fémelemek, például a vas, a réz, a nikkel, a kobalt és a lítium visszanyerhetők és újra felhasználhatók új akkumulátorok gyártásához. Az újrahasznosítás megakadályozhatja a jövőbeli hiányt is.
Bár a nagyobb nikkeltartalmú akkumulátorok piacra kerülnek, kobalt nélkül nem lehet akkumulátorokat gyártani. A magasabb nikkeltartalomnak ára van: a megnövekedett nikkeltartalommal csökken az akkumulátor stabilitása, és ezáltal csökken a ciklusélettartama és a gyorstöltés képessége.

Növekvő kereslet a Li-ion akkumulátorok iránt. Forrás: Deutsche Bank

A Li-ion akkumulátorok iránti növekvő kereslet a hulladékelemek újrahasznosítási kapacitásának növelését teszi szükségessé.

Újrahasznosítási folyamat

Az elektromos járművek, például a Tesla Roadster akkumulátorainak élettartama körülbelül 10 év.
A kimerült Li-ion akkumulátorok újrahasznosítása nagy igénybevételt jelentő folyamat, mivel nagyfeszültségű és veszélyes vegyi anyagokról van szó, ami a hőszökés, az áramütés és a veszélyes anyagok kibocsátásának kockázatával jár.
A zárt hurkú újrahasznosítás létrehozásához minden kémiai kötést és minden elemet külön frakciókra kell bontani. Az ilyen zárt hurkú újrahasznosításhoz szükséges energia azonban nagyon drága. A visszanyeréshez a legértékesebb anyagok olyan fémek, mint a Ni, Co, Cu, Li stb., Mivel a drága bányászat és a fém alkatrészek magas piaci ára gazdaságilag vonzóvá teszi az újrahasznosítást.
A Li-ion akkumulátorok újrahasznosítási folyamata az akkumulátorok szétszerelésével és kisütésével kezdődik. Az akkumulátor kinyitása előtt passziválás szükséges az akkumulátorban lévő vegyi anyagok inaktiválásához. A passziválás kriogén fagyasztással vagy szabályozott oxidációval érhető el. Az akkumulátor méretétől függően az akkumulátorok szétszerelhetők és szétszerelhetők a celláig. A szétszerelés és zúzás után az alkatrészeket többféle módszerrel (pl. rostálás, szitálás, kézi szedés, mágneses, nedves és ballisztikus szétválasztás) izolálják, hogy eltávolítsák a cellaházakat, az alumíniumot, a rezet és a műanyagokat az elektródaporból. Az elektróda anyagainak elválasztása szükséges a későbbi folyamatokhoz, pl. hidrometallurgiai kezeléshez.
pirolízis
A pirolitikus feldolgozáshoz az aprított elemeket kemencében olvasztják, ahol mészkő kerül hozzáadásra salakképző szerként.

Hidrotermikus folyamatok
A hidrometallurgiai feldolgozás savas reakciókon alapul annak érdekében, hogy a sók fémként kicsapódjanak. A tipikus hidrometallurgiai folyamatok közé tartozik a kimosódás, a kicsapódás, az ioncsere, az oldószeres extrakció és a vizes oldatok elektrolízise.
A hidrotermikus feldolgozás előnye a Ni és Co magas visszanyerési hozama +95% -a sóként, a Li +90% -a kicsapódhat, a többi pedig +80% -ig visszanyerhető.

Különösen a kobalt kritikus eleme a lítium-ion akkumulátor-katódoknak a nagy energiájú és teljesítményű alkalmazásokhoz.
A jelenlegi hibrid autók, mint például a Toyota Prius, nikkel-fémhidrid akkumulátorokat használnak, amelyeket a Li-ion akkumulátorokhoz hasonlóan szétszerelnek, lemerítenek és újrahasznosítanak.

Irodalom/Hivatkozások

  • 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 gyárt nagy teljesítményű ultrahangos készülékeket.

Erőteljes szonikálás a laboratóriumból és a padról az ipari termelésbe.

Örömmel megvitatjuk a folyamatot.

Let's get in contact.