Ultrahangok a lítium-ion akkumulátorok újrahasznosításához
- Az elektromos autókban használt lítium-ion akkumulátorok csak most érkeznek a tömegpiacra, és vele együtt újrahasznosító kapacitást kell kifejleszteni.
- Az ultrahangos kiszivárgás hatékony, környezetbarát technikát jelent a felhasznált Li-ion akkumulátorok, például a Li, Mg, Co, Ni stb.
- A Hielscher ipari ultrahangos rendszerek a kiszivárgási alkalmazásokhoz megbízhatóak és robusztusak, és könnyen integrálhatók a meglévő újrahasznosító üzemekbe.
Lítium-ion akkumulátorok újrahasznosítása
Lítium-ion akkumulátorok széles körben használják az elektromos járművek (EV), laptopok és a mobiltelefonok. Ez azt jelenti, hogy a kiégett lítium-ion akkumulátorok egy aktuális kihívás a hulladékgazdálkodás és újrahasznosítás. Az akkumulátorok jelentős költségvezető az EVs számára, és a rendelkezésükre álló költségek is drágák. Környezeti és gazdasági szempontok tolja a zárt újrahasznosítás hurok, mivel az akkumulátor hulladék tartalmaz értékes anyagokat és segít csökkenteni a szén-dioxid kibocsátást gyártási lítium-ion akkumulátorok.
A lítium-ion akkumulátorok újrahasznosítása virágzó ipari szektornak növekszik annak érdekében, hogy biztosítsa a ritkaföldfémek és egyéb elemek jövőbeli elérhetőségét, valamint csökkentse a bányászat környezeti költségeit.
Ipari ultrahangos kiszivárgás
Az ultrahangos kiszivárgás és a fémkivonás alkalmazható lítium-kobalt-oxid akkumulátorok (pl. Laptopok, okostelefonok stb.), Valamint komplex lítium-nikkel-mangán-kobalt akkumulátorok (pl. Elektromos járművek) újrafeldolgozására.
A nagy teljesítményű ultrahang jól ismert a vegyi folyadékok és az iszapok feldolgozásának képességéről a tömegátadás javítása és kémiai reakciók megindítása érdekében.
Az erőteljes ultrahangozás intenzív hatásai az akusztikus kavitáció jelenségén alapulnak. A nagyteljesítményű ultrahangot folyadékok / zagyok összekapcsolásával a váltakozó alacsony nyomású és nagynyomású folyadékok kis vákuumbuborékokat hoznak létre. A kis vákuumos üregek nőnek a különböző alacsony nyomású / nagynyomású ciklusokig, amíg az implode erőszakosan meg nem hal. Az összeomló vákuum buborékok mikrofaktoroknak tekinthetők, ahol legfeljebb 5000 K hőmérséklet, legfeljebb 1000 mt nyomás és a 10 ° C feletti fűtési és hűtési sebesség-10 előfordul. Ezenkívül erõs hidrodinamikai nyíró erõk és 280 m / s sebességû folyadékfúvók keletkeznek. Az akusztikus kavitáció ezen extrém feltételei rendkívül fizikai és kémiai körülményeket okoznak az egyébként hideg folyadékokban, és kedvező környezetet teremtenek a kémiai reakciókhoz (Sonochemistry).
48kW ultrahangos processzor
olyan igényes alkalmazásokhoz, mint a fémek kiszivárgása
A fémek ultrahangos kimosása a kimerült akkumulátorhulladékból.
Az ultrahangos kiszivárgás és a fém visszanyerés nagy előnye a folyamatparaméterek, például az amplitúdó, a nyomás és a hőmérséklet pontos ellenőrzése. Ezek a paraméterek lehetővé teszik a reakciókörülmények pontosan a folyamat közeghez és a célzott kimenethez való igazítását. Továbbá az ultrahangos kiszivárgás még a legkisebb fémrészecskéket is eltávolítja a hordozóból, miközben megőrzi a mikrostruktúrákat. A fokozott fémvisszanyerés az erősen reakcióképes felületek ultrahangos kialakításának, a megnövelt reakciósebességeknek és a továbbfejlesztett tömegszállításnak köszönhető. A sonifikációs folyamatok optimalizálhatók az egyes paraméterek befolyásolásával, ezért nem csak nagyon hatásosak, hanem nagyon energiatakarékosak is.
Pontos paramétervezérlése és energiahatékonysága ultrahangos lemosást tesz lehetővé a kedvező és kiváló technikának – különösen, ha összehasonlítjuk a bonyolult savkioldási és kelátképzési technikákat.
LiCoO ultrahangos helyreállítása2 a használt lítium-ion akkumulátorokból
Az Ultrasonication segíti a reduktív kioldódást és a kémiai kicsapódást, amelyeket Li Li-ként visszaszereznek2CO3 és Co jelentése Co (OH)2 lítium-ion akkumulátoroktól.
Zhang et al. (2014) a LiCoO sikeres helyreállításáról számol be2 ultrahangos reaktort használva. 600 ml kiindulási oldat készítéséhez 10 g érvénytelen LiCoO-t helyeztek el2 porot egy főzőpohárba és hozzáadunk 2,0 mol / l LiOH-oldatot, amelyet összekeverünk.
Az elegyet ultrahangos besugárzásba öntjük, és a keverőberendezést elindítjuk, a keverőberendezést a reakcióedény belsejébe helyezzük. 120 ° C-ra melegítettük, majd a ultrahangos készülék 800 W-ra állították, és az ultrahangos üzemmódot 5 másodperces impulzus-ciklusra állították be. ON / 2sec. KI. Az ultrahangos besugárzást 6 órán át alkalmaztuk, majd a reakcióelegyet szobahőmérsékletre hűtöttük. A szilárd maradékot többször mostuk ionmentes vízzel, és 80 ° C-on szárítottuk állandó tömegig. A kapott mintát összegyűjtöttük a későbbi vizsgálatokhoz és az akkumulátorgyártáshoz. Az első ciklus töltési kapacitása 134.2mAh / g, és a kisütési kapacitás 133.5mAh / g. Az első alkalommal feltöltő és kisütő hatásfok 99,5% volt. 40 ciklus után a kibocsátási kapacitás még mindig 132.9mAh / g. (Zhang és munkatársai, 2014)
Használt LiCoO2 kristályok előtt (a) és utána (b) ultrahangos kezelés 120◦C-on 6 órán át. Forrás: Zhang et al. 2014
Az ultrahangos kiszivárgás szerves savakkal, például citromsavval nemcsak hatékony, hanem környezetbarát is. A kutatások azt mutatták, hogy a Co és a Li kimosódása hatékonyabb citromsavval, mint a H szervetlen savakkal2ÍGY4 és HCl. A töltött lítium-ion akkumulátorokból több mint 96% Co és közel 100% Li került ki. Az a tény, hogy a szerves savak, például a citromsav és az ecetsav olcsóak és biológiailag lebomlanak, hozzájárulnak az ultrahangos kezelés további gazdasági és környezeti előnyeihez.
Nagy teljesítményű ipari ultrahang
A Hielscher Ultrasonics hosszú élettartamú szállítója a rendkívül hatékony és megbízható ultrahangos rendszereknek, amelyek biztosítják a szükséges erőforrásokat a hulladékokból származó fémek leacholásához. A li-ion akkumulátor újrafeldolgozása érdekében olyan fémeket, mint a kobalt, a lítium, a nikkel és a mangán, nagy teljesítményű és robosztus ultrahangos rendszerek szükségesek. Hielscher Ultrasonics’ ipari egységek, például a UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) és UIP16000 (16kW) a legerősebb és robusztus, nagy teljesítményű ultrahangos rendszerek a piacon. Minden ipari egységünk folyamatosan nagy, 200 μm-es amplitúdóval működtethető 24 órás üzemelés alatt. Még nagyobb amplitúdók esetén személyre szabott ultrahangos sonotrodák állnak rendelkezésre. A Hielscher ultrahangos berendezésének robusztussága nagy igénybevétellel és igényes környezetben lehetővé teszi a 24/7 üzemeltetést. A Hielscher speciális szonotródákat és reaktorokat szállít magas hőmérsékletekre, nyomásokra és maró folyadékokra. Ez teszi az ipari ultrahangosítóinkat leginkább az extrakciós kohászati technikákhoz, pl. A hidrometallurgiai kezelésekhez.
Az alábbi táblázat az ultrahangos készülékek hozzávetőleges feldolgozási kapacitását jelzi:
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 0.1-20L | 02 - 4 L / perc | UIP2000hdT |
| 10-100 liter | 2 - 10 l / perc | UIP4000 |
| na | 10 - 100 l / perc | UIP16000 |
| na | nagyobb | klaszter UIP16000 |
Irodalom / References
- Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): Lítium és kobalt visszanyerése töltött lítium-ion akkumulátorokból szerves savak alkalmazásával: Folyamat optimalizálás és kinetikai szempontok. Waste Management 64, 2017. 244-254.
- Shin S.-M .; Lee D. W .; Wang J.-P. (2018): Nikkel-nanorizált por előállítása LiNiO-ból2 a használt lítium-ion akkumulátorról. Metals 8, 2018.
- Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Ultrahang-segített Hidrotermikus LiCoO felújítása2 a lítium-ion akkumulátorok katódjáról. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
- Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Lítium-kobalt-oxid anyag visszanyerése a lítium-ion akkumulátorok katódjáról. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.
Tudni érdemes
Lítium-ion akkumulátorok
A lítium-ion akkumulátorok (LIB) a nagy energiasűrűséget biztosító (újratölthető) akkumulátorok kollektív termékei, amelyek gyakran integrálódnak a fogyasztói elektronikához, például elektronikus autókhoz, hibrid autókhoz, laptopokhoz, mobiltelefonokhoz, iPod-okhoz stb. hasonló méretekkel és kapacitással rendelkező újratölthető akkumulátorok más változatai jelentősen csökkentik a LIB-eket.
Az eldobható lítium elsődleges akkumulátorral ellentétben az LIB elektróda fém lítium helyett interkalált lítiumvegyületet használ. A lítium-ion akkumulátor fő alkotórészei az elektródák – anód és katód – és az elektrolit.
A legtöbb sejt az elektrolit, elválasztó, fóliák és burkolat szempontjából közös összetevőket tartalmaz. A sejttechnológiák közötti lényeges különbség a használt anyag “aktív anyagok” mint katód és anód. A grafit az anód leggyakrabban használt anyaga, míg a katód réteges LiMO2 (M = Mn, Co és Ni), spinel LiMn2O4, vagy olivin LiFePO4. Az elektrolit szerves folyékony elektrolitjai (pl. Szerves oldószerek, például etilén-karbonát (EC), dimetil-karbonát (DMC), dietil-karbonát (DEC), etil-metil-karbonát (EMC) stb. ionos mozgás.
A pozitív (katód) és negatív (anód) elektródáktól függően a LIBs energiasűrűsége és feszültsége változó.
Elektromos járműveknél gyakran elektromos jármű (EVB) vagy vontatóelemek használatosak. Az ilyen vontatóelemeket targoncák, elektromos golfkocsik, padlómosók, elektromos motorkerékpárok, elektromos autók, teherautók, kisteherautók és egyéb elektromos járművek használják.
Fém újrahasznosítás a kiégett li-ion akkumulátorokról
Az egyéb olyan elemekhez képest, amelyek gyakran ólmot vagy kadmiumot tartalmaznak, a Li-ion akkumulátorok kevésbé mérgező fémeket tartalmaznak, ezért környezetbarátnak tekinthetők. Azonban az elhasznált lítium-ion akkumulátorok nagy mennyisége, amelyet elektromos autókból elhasznált elemekként kell elhelyezni, hulladékhiányt okoz. Ezért lítium-ion akkumulátorok zárt újrahasznosítási hurokra van szükség. Gazdaságossági szempontból fém elemek, például vas, réz, nikkel, kobalt és lítium visszaszerelhetők és újrahasznosíthatók az új elemek gyártása során. Az újrahasznosítás megakadályozhatja a jövőbeli hiányt is.
Bár a magasabb nikkeltartalmú akkumulátorok jönnek piacra, kobalt nélküli akkumulátorok előállítása nem lehetséges. A magasabb nikkeltartalom ára: a megnövekedett nikkeltartalommal az akkumulátor stabilitása csökken, és így a ciklus élettartama és a gyors töltés képessége csökken.
A lítium-ion akkumulátorok növekvő igénye miatt a hulladékelemek újrahasznosító kapacitása növekszik.
Újrafeldolgozási folyamat
Az elektromos járművek, például a Tesla Roadster akkumulátorai kb. 10 éves élettartammal rendelkeznek.
A kimerült Li-ion akkumulátorok újrahasznosítása nagy igénybevételnek számít, mivel nagyfeszültségű és veszélyes vegyi anyagok vannak jelen, ami a hőveszteség, az áramütés és a veszélyes anyagok kibocsátásának kockázatával jár.
A zárt hurkú újrahasznosítás létrehozása érdekében minden kémiai kötést és minden elemet el kell különíteni az egyes frakciókra. Az ilyen zárt hurkú újrahasznosításhoz szükséges energia azonban nagyon drága. A hasznosítás legértékesebb anyagai a fémek, például a Ni, Co, Cu, Li stb., Mivel a drága bányászat és a fémkomponensek magas piaci árai gazdaságilag vonzóvá teszik az újrafeldolgozást.
A lítium-ion akkumulátorok újrahasznosítási folyamata az elemek lebontásával és kisütésével kezdődik. Az akkumulátor felnyitása előtt passziválás szükséges az akkumulátorban lévő vegyi anyagok inaktiválására. A passziválás kriogén fagyasztással vagy szabályozott oxidációval érhető el. Az akkumulátortól függően az elemek szétszerelhetők és szétszedhetők a cellába. A bontás és a zúzás után az összetevőket számos módszerrel (pl. Szűrés, szitálás, kézi szedés, mágneses, nedves és ballisztikus szétválasztás) izolálják annak érdekében, hogy eltávolítsák az aljzatokból, az alumíniumból, a rézből és a műanyagokból az elektródporból. Az elektródák elválasztása a downstream folyamatokhoz, pl. Hidrometallurgiai kezeléshez szükséges.
A pirolízis
A pirolitikus feldolgozásnál az aprított akkumulátorokat egy kemencében olvasztják, ahol salakanyagot adnak mészkőnek.
Hidrotermikus folyamatok
A hidrometallurgiai feldolgozás savas reakciókon alapul, hogy a sókat fémré alakítsák. Tipikus hidrometallurgiai eljárások közé tartozik a kioldódás, kicsapás, ioncsere, oldószeres extrakció és a vizes oldatok elektrolízise.
A hidrotermális feldolgozás előnye, hogy a nátrium és a nátrium 95% -át kitevő sók nagy visszanyerési hozamúak, a Li + 90% -a kicsapható, a többi pedig akár 80% -ig is kinyerhető.
Különösen a kobalt kritikus komponens a lítium-ion akkumulátor katódok számára a nagy energiájú és teljesítményű alkalmazásokhoz.
A jelenlegi hibrid autók, mint például a Toyota Prius, nikkel-fémhidrid elemeket használnak, amelyeket a Li-ion akkumulátorokhoz hasonlóan szétszereltek, lemerültek és újrahasznosították.
Erőteljes sonifikáció a laboratóriumi és a padlótól az ipari termelésig.