Ուլտրաձայնը լիթիում-իոնային մարտկոցների վերամշակման համար

• Էլեկտրական ավտոմեքենաներում օգտագործվող լիթիում-իոնային մարտկոցները միայն այժմ են մուտք գործում զանգվածային շուկա, և դրան զուգահեռ անհրաժեշտ է զարգացնել վերամշակման հզորությունները։
• Ուլտրաձայնային տարրալվացումը արդյունավետ և շրջակա միջավայրի համար բարենպաստ մեթոդ է՝ շահագործումից դուրս եկած լիթիում-իոնային մարտկոցներից այնպիսի մետաղներ կորզելու համար, ինչպիսիք են Li, Mg, Co, Ni և այլն։
• Տարրալվացման համար նախատեսված Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային համակարգերը հուսալի են ու դիմացկուն և կարող են հեշտությամբ ինտեգրվել գործող վերամշակման գործարաններում։

Լիթիում-իոնային մարտկոցների վերամշակում

Լիթիում-իոնային մարտկոցները լայնորեն օգտագործվում են էլեկտրական տրանսպորտային միջոցներում (EV), դյուրակիր համակարգիչներում և բջջային հեռախոսներում։ Սա նշանակում է, որ շահագործումից դուրս եկած լիթիում-իոնային մարտկոցները ներկայումս մարտահրավեր են թափոնների կառավարման և վերամշակման առումով։ Մարտկոցները էլեկտրական տրանսպորտային միջոցների ծախսերը պայմանավորող հիմնական գործոններից են, և դրանց հեռացումը նույնպես թանկ է։ Բնապահպանական և տնտեսական նկատառումները մղում են դեպի վերամշակման փակ շրջափուլ, քանի որ մարտկոցների թափոնները պարունակում են արժեքավոր նյութեր և օգնում են նվազեցնել լիթիում-իոնային մարտկոցների արտադրության ածխածնային հետքը։
Լիթիում-իոնային մարտկոցների վերամշակումը վերածվում է արդյունաբերության ծաղկող ճյուղի՝ ապագայում հազվագյուտ հողային մետաղների և մարտկոցների այլ բաղադրիչների հասանելիությունն ապահովելու և հանքարդյունահանման բնապահպանական ծախսերը նվազեցնելու նպատակով։

Պիրոմետալուրգիական և հիդրոմետալուրգիական վերամշակումը՝ մարտկոցների ուլտրաձայնային վերամշակման համեմատ

Ստորև համեմատում ենք պիրոմետալուրգիական և հիդրոմետալուրգիական գործընթացների ավանդական մեթոդները ուլտրաձայնային տարրալվացման մեթոդի հետ՝ առավելությունների և թերությունների տեսանկյունից։

Մարտկոցների ավանդական վերամշակման թերությունները

Լիթիում-իոնային մարտկոցների վերամշակման համար օգտագործվող ավանդական մեթոդները ներառում են պիրոմետալուրգիական և հիդրոմետալուրգիական գործընթացներ։
 
Պիրոմետալուրգիական մեթոդները ներառում են բարձր ջերմաստիճանային գործընթացներ, ինչպիսիք են հալեցումը կամ այրումը։ Մարտկոցները ենթարկվում են ծայրահեղ բարձր ջերմաստիճանի, ինչի հետևանքով օրգանական բաղադրիչներն այրվում են, իսկ մնացած մետաղական բաղադրիչները հալեցվում և առանձնացվում են։ Սակայն այս մեթոդներն ունեն որոշ թերություններ․

• Ազդեցությունը շրջակա միջավայրի վրա․ Պիրոմետալուրգիական գործընթացների ընթացքում մթնոլորտ են արտազատվում վնասակար արտանետումներ և աղտոտիչներ՝ նպաստելով օդի աղտոտմանը և հնարավոր վտանգներ առաջացնելով առողջության համար։
• Նյութերի կորուստ․ Բարձր ջերմաստիճանային գործընթացները կարող են ջերմային քայքայման հետևանքով հանգեցնել արժեքավոր նյութերի և մետաղների կորստի՝ նվազեցնելով կորզման ընդհանուր աստիճանը։
• Էներգատարություն․ Այս մեթոդները սովորաբար պահանջում են էներգիայի զգալի ներդրում, ինչը մեծացնում է շահագործման ծախսերը և շրջակա միջավայրի վրա թողած հետքը։

 
Հիդրոմետալուրգիական մեթոդները ներառում են քիմիական տարրալվացում՝ մարտկոցների բաղադրիչները լուծելու և արժեքավոր մետաղներ կորզելու համար։ Թեև հիդրոմետալուրգիան շրջակա միջավայրի համար ավելի բարենպաստ է, քան պիրոմետալուրգիական մեթոդները, այն ունի իր թերությունները․

• Քիմիական նյութերի օգտագործում․ Տարրալվացման համար անհրաժեշտ են ուժեղ թթուներ կամ այլ քայքայիչ քիմիական նյութեր, ինչը մտահոգություններ է առաջացնում քիմիական նյութերի հետ վարվելու, թափոնների կառավարման և շրջակա միջավայրի հնարավոր աղտոտման վերաբերյալ։
• Ընտրողականության ապահովման դժվարություններ․ Ցանկալի մետաղների ընտրողական տարրալվացման ապահովումը կարող է դժվար լինել՝ հանգեցնելով կորզման ավելի ցածր աստիճանի և արժեքավոր ռեսուրսների հնարավոր կորստի։

 

Մարտկոցների ուլտրաձայնային տարրալվացման առավելություններն ավանդական մեթոդների նկատմամբ

Մարտկոցների ուլտրաձայնային վերամշակման մեթոդը, համեմատած թե՛ պիրոմետալուրգիական, թե՛ հիդրոմետալուրգիական վերամշակման մեթոդների հետ, գերազանցում է դրանց մի շարք առավելությունների շնորհիվ․

1. Արդյունավետության բարձրացում․ Ուլտրաձայնային մշակումը կարող է արագացնել մարտկոցների նյութերի քայքայումը՝ հանգեցնելով մշակման ավելի կարճ տևողության և ավելի բարձր ընդհանուր արդյունավետության։
2. Կորզման աստիճանի բարձրացում․ Ուլտրաձայնային կավիտացիայի վերահսկվող կիրառումը նպաստում է մարտկոցների բաղադրիչների քայքայմանը՝ բարձրացնելով արժեքավոր մետաղների կորզման աստիճանը։
3. Շրջակա միջավայրի համար բարենպաստություն․ Ուլտրաձայնային վերամշակումը նվազեցնում է բարձր ջերմաստիճաններից և ագրեսիվ քիմիական նյութերից կախվածությունը՝ նվազագույնի հասցնելով շրջակա միջավայրի վրա ազդեցությունը և նվազեցնելով աղտոտիչների արտանետումները։
4. Ընտրողական տարրալվացում․ Ուլտրաձայնի վերահսկվող կիրառումը թույլ է տալիս նպատակային կերպով քայքայել մարտկոցի ներսում գտնվող որոշակի բաղադրիչներ՝ արդյունավետորեն առանձնացնելով դրանք։ Քանի որ վերամշակման ենթակա մարտկոցների տարբեր միացություններ հեռացվում և լուծվում են ուլտրաձայնի որոշակի ինտենսիվությունների պայմաններում, մշակման օպտիմալացված պարամետրերը թույլ են տալիս իրականացնել առանձին նյութերի ընտրողական տարրալուծում։ Սա նպաստում է արժեքավոր մետաղների և նյութերի արդյունավետ բաժանմանը։
5. Էներգիայի սպառման նվազեցում. Թե՛ հիդրոմետալուրգիական և հատկապես թե՛ պիրոմետալուրգիական մեթոդների համեմատ՝ ուլտրաձայնային վերամշակումը սովորաբար ավելի էներգաարդյունավետ է, ինչը հանգեցնում է շահագործման ծախսերի և ածխածնային հետքի նվազեցման։
6. Մասշտաբայնություն և ճկունություն. Ուլտրաձայնային համակարգերի մասշտաբը կարելի է հեշտությամբ մեծացնել կամ փոքրացնել՝ մարտկոցների տարբեր չափերին և արտադրական հզորություններին համապատասխանեցնելու համար։ Բացի այդ, մարտկոցների վերամշակման ուլտրաձայնային սարքերը կարելի է հեշտությամբ ինտեգրել մարտկոցների վերամշակման արդեն գործող ձեռնարկություններում։ Հասանելի լինելով տարբեր հզորություններով և համապատասխան պարագաներով, ինչպիսիք են ուլտրաձայնային զոնդերն ու հոսքային բջիջներով ռեակտորները՝ ուլտրաձայնային սարքերը կարող են մշակել տարբեր չափերի մարտկոցների բաղադրիչներ և ապահովել տարբեր արտադրական հզորություններ՝ վերամշակման գործընթացներում ապահովելով մասշտաբայնություն և հարմարվողականություն։
7. Սիներգիկ ինտեգրում. Ուլտրաձայնային տարրալուծումը կարելի է ինտեգրել մարտկոցների հիդրոմետալուրգիական վերամշակման գործող գծերում՝ օգտագործված լիթիում-իոնային մարտկոցներից արժեքավոր մետաղների և նյութերի հիդրոմետալուրգիական տարրալուծումն ինտենսիվացնելու և բարելավելու համար։

Ընդհանուր առմամբ, մարտկոցների ուլտրաձայնային վերամշակումը խոստումնալից է որպես էկոլոգիապես ավելի բարենպաստ, արդյունավետ և ընտրողական մեթոդ՝ ավանդական պիրոմետալուրգիական և հիդրոմետալուրգիական մոտեցումների համեմատ։

 

Արդյունաբերական ուլտրաձայնային տարրալուծում՝ օգտագործված մարտկոցներից մետաղների կորզման համար

Ուլտրաձայնային տարրալուծումը և մետաղների էքստրակցիան կարող են կիրառվել լիթիում-կոբալտի օքսիդային մարտկոցների (օրինակ՝ նոութբուքներից, սմարթֆոններից և այլն), ինչպես նաև լիթիում-նիկել-մանգան-կոբալտային բարդ մարտկոցների (օրինակ՝ էլեկտրական տրանսպորտային միջոցներից) վերամշակման գործընթացներում։
Բարձր հզորության ուլտրաձայնը հայտնի է քիմիական հեղուկներ և կախույթներ մշակելու իր ունակությամբ՝ զանգվածափոխանակությունը բարելավելու և քիմիական ռեակցիաներ հարուցելու նպատակով։
Հզոր ուլտրաձայնային մշակման ինտենսիվ ազդեցությունները հիմնված են ակուստիկ կավիտացիայի երևույթի վրա։ Բարձր հզորության ուլտրաձայնը հեղուկների / կախույթների մեջ ներմուծելիս հեղուկներում ցածր և բարձր ճնշման հերթագայող ալիքներն առաջացնում են փոքր վակուումային պղպջակներ։ Փոքր վակուումային խոռոչները մեծանում են ցածր ճնշման / բարձր ճնշման բազմաթիվ ցիկլերի ընթացքում, մինչև կտրուկ ներս փլուզվելը։ Փլուզվող վակուումային պղպջակները կարելի է դիտարկել որպես միկրոռեակտորներ, որոնցում դիտվում են մինչև 5000K ջերմաստիճաններ, մինչև 1000atm ճնշումներ, ինչպես նաև 10^-10 արժեքը գերազանցող տաքացման և սառեցման արագություններ։ Բացի այդ, առաջանում են ուժեղ հիդրոդինամիկական սահքի ուժեր և մինչև 280m/s արագությամբ հեղուկի շիթեր։ Ակուստիկ կավիտացիայի այս ծայրահեղ պայմանները բացառիկ ֆիզիկական և քիմիական պայմաններ են ստեղծում այլապես սառը հեղուկներում և բարենպաստ միջավայր են ապահովում քիմիական ռեակցիաների համար (այսպես կոչված սոնոքիմիա).

Ուլտրաձայնով առաջացած կավիտացիան կարող է հարուցել լուծված նյութերի ջերմատարրալուծում, ինչպես նաև բարձր ռեակցունակությամբ ռադիկալների և ռեագենտների առաջացում, ինչպիսիք են ազատ ռադիկալները, հիդրօքսիդ իոնները (•OH,), հիդրոնիումը (H₃O+) և այլն, որոնք հեղուկում ստեղծում են արտակարգ ռեակցիոն պայմաններ, ինչի շնորհիվ ռեակցիայի արագությունը զգալիորեն մեծանում է։ Պինդ նյութերը, օրինակ՝ մասնիկները, արագանում են հեղուկի շիթերի ազդեցությամբ և մանրացվում միջմասնիկային բախումների ու քերամաշման միջոցով՝ մեծացնելով ակտիվ մակերեսը և դրանով իսկ՝ զանգվածափոխանակությունը։
Ուլտրաձայնային տարրալուծման և մետաղների վերականգնման մեծ առավելությունը գործընթացի այնպիսի պարամետրերի ճշգրիտ վերահսկումն է, ինչպիսիք են ամպլիտուդը, ճնշումը և ջերմաստիճանը։ Այս պարամետրերը թույլ են տալիս ռեակցիայի պայմանները ճշգրտորեն հարմարեցնել մշակվող միջավայրին և նպատակային արդյունքին։ Բացի այդ, ուլտրաձայնային տարրալուծումը ենթաշերտից հեռացնում է նույնիսկ մետաղի ամենափոքր մասնիկները՝ պահպանելով միկրոկառուցվածքները։ Մետաղների բարելավված վերականգնումը պայմանավորված է ուլտրաձայնի միջոցով բարձր ռեակցիոն ունակությամբ մակերեսների ստեղծմամբ, ռեակցիաների արագությունների մեծացմամբ և զանգվածի տեղափոխման բարելավմամբ։ Ուլտրաձայնային մշակման գործընթացները կարելի է օպտիմալացնել՝ ազդելով յուրաքանչյուր պարամետրի վրա, ուստի դրանք ոչ միայն շատ արդյունավետ են, այլև խիստ էներգաարդյունավետ։
Պարամետրերի ճշգրիտ վերահսկումը և էներգաարդյունավետությունը ուլտրաձայնային տարրալուծումը դարձնում են նախընտրելի և առավելություններ ունեցող մեթոդ՝ հատկապես թթվային տարրալուծման և խելատացման բարդ մեթոդների համեմատ։

Ուլտրաձայնային եղանակով LiCoO₂ միացության վերականգնումն օգտագործված լիթիում-իոնային մարտկոցներից

Ուլտրաձայնային մշակումն օժանդակում է վերականգնողական տարրալուծմանը և քիմիական նստեցմանը, որոնք կիրառվում են թափոն դարձած լիթիում-իոնային մարտկոցներից Li վերականգնելու համար՝ Li₂CO₃ ձևով, և Co վերականգնելու համար՝ Co(OH)₂ ձևով։
Zhang և համահեղինակները (2014) հաղորդում են, որ հաջողությամբ վերականգնվել է LiCoO₂ միացությունը՝ ուլտրաձայնային ռեակտորի կիրառմամբ։ 600mL սկզբնական լուծույթ պատրաստելու համար նրանք քիմիական բաժակի մեջ լցրել են 10g ոչ պիտանի LiCoO₂ փոշի և ավելացրել 2,0mol/L խտությամբ LiOH լուծույթ, որոնք խառնվել են։
Խառնուրդը լցվել է ուլտրաձայնային ճառագայթման մեջ, և գործարկվել է խառնիչ սարքը, որը տեղադրված էր ռեակցիոն տարայի ներսում։ Այն տաքացվել է մինչև 120◦C, ապա ուլտրաձայնային սարքը կարգավորվել է 800W հզորության, իսկ ուլտրաձայնային ազդեցության ռեժիմը սահմանվել է իմպուլսային աշխատանքային ցիկլերով՝ 5 sec. ՄԻԱՑՎԱԾ / 2sec. ԱՆՋԱՏՎԱԾ։ Ուլտրաձայնային ճառագայթումը կիրառվել է 6h, ապա ռեակցիոն խառնուրդը սառչել է մինչև սենյակային ջերմաստիճան։ Պինդ մնացորդը մի քանի անգամ լվացվել է դեիոնացված ջրով և չորացվել 80◦C ջերմաստիճանում՝ մինչև հաստատուն զանգված։ Ստացված նմուշը հավաքվել է հետագա փորձարկումների և մարտկոցների արտադրության համար։ Առաջին ցիկլում լիցքավորման տարողությունը 134,2mAh/g է, իսկ լիցքաթափման տարողությունը՝ 133,5mAh/g։ Առաջին լիցքավորման և լիցքաթափման արդյունավետությունը կազմել է 99,5%։ 40 ցիկլից հետո լիցքաթափման տարողությունը դեռևս 132,9mAh/g է։ (Zhang և համահեղինակներ, 2014)
 

 
Օրգանական թթուներով, օրինակ՝ կիտրոնաթթվով ուլտրաձայնային տարրալուծումը ոչ միայն արդյունավետ է, այլև էկոլոգիապես բարենպաստ։ Հետազոտությամբ պարզվել է, որ Co և Li տարրալուծումն ավելի արդյունավետ է կիտրոնաթթվով, քան H2SO4 և HCl անօրգանական թթուներով։ Օգտագործված լիթիում-իոնային մարտկոցներից վերականգնվել է Co պարունակության ավելի քան 96% և Li պարունակության գրեթե 100%։ Այն փաստը, որ օրգանական թթուները, օրինակ՝ կիտրոնաթթուն և քացախաթթուն, էժան են և կենսաքայքայվող, նպաստում է ուլտրաձայնային մշակման լրացուցիչ տնտեսական և բնապահպանական առավելություններին։

Բարձր հզորության արդյունաբերական ուլտրաձայնային տեխնոլոգիաներ՝ օգտագործված մարտկոցներից մետաղների տարրալուծման համար

Hielscher Ultrasonics ընկերությունը բարձր արդյունավետությամբ և հուսալի ուլտրաձայնային համակարգերի մատակարարման երկարամյա փորձ ունեցող ձեր մատակարարն է։ Այդ համակարգերն ապահովում են թափոններից մետաղների տարրալվացման համար անհրաժեշտ հզորությունը։ Լիթիում-իոնային մարտկոցները վերամշակելու համար՝ դրանցից կոբալտի, լիթիումի, նիկելի և մանգանի նման մետաղներ կորզելով, անհրաժեշտ են հզոր և ամուր ուլտրաձայնային համակարգեր։ Hielscher Ultrasonics ընկերության արդյունաբերական սարքերը, ինչպիսիք են UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) և UIP16000 (16kW), շուկայում առկա ամենահզոր և ամենաամուր բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային համակարգերն են։ Մեր բոլոր արդյունաբերական սարքերը կարող են անընդհատ աշխատել շատ բարձր՝ մինչև 200µm ամպլիտուդներով՝ 24/7 ռեժիմով։ Է՛լ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար հասանելի են անհատական պատվերով պատրաստվող ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ։ Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային սարքավորումների ամրությունը թույլ է տալիս աշխատել 24/7 ռեժիմով՝ մեծ բեռնվածության և խստապահանջ միջավայրերի պայմաններում։ Hielscher ընկերությունը մատակարարում է նաև հատուկ սոնոտրոդներ և ռեակտորներ՝ բարձր ջերմաստիճանների, ճնշումների և քայքայիչ հեղուկների համար։ Դրա շնորհիվ մեր ուլտրաձայնային արդյունաբերական սարքերն առավել հարմար են կորզման մետալուրգիայի մեթոդների, օրինակ՝ հիդրոմետալուրգիական մշակման համար։

Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման կարողության մասին․

---

---

Գրականություն/Հղումներ

• 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.