Ուլտրաձայնային սարք՝ լիթիումի իոնային մարտկոցների վերամշակման համար

• Էլեկտրական մեքենաներում օգտագործվող լիթիում-իոնային մարտկոցները հենց հիմա են հայտնվում զանգվածային շուկա, և դրա հետ մեկտեղ պետք է զարգացնել վերամշակման կարողությունները։
• Ուլտրաձայնային տարրալվացումը արդյունավետ, էկոլոգիապես մաքուր տեխնիկա է սպառված Li-ion մարտկոցներից մետաղները վերականգնելու համար, ինչպիսիք են Li, Mg, Co, Ni և այլն:
• Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային համակարգերը տարրալվացման ծրագրերի համար հուսալի և ամուր են և կարող են հեշտությամբ ինտեգրվել գոյություն ունեցող վերամշակման գործարաններին:

Լիթիում-իոնային մարտկոցների վերամշակում

Լիթիում-իոնային մարտկոցները լայնորեն օգտագործվում են էլեկտրական մեքենաներում (EV), նոութբուքերում և բջջային հեռախոսներում: Սա նշանակում է, որ սպառված լիթիում-իոնային մարտկոցները ներկայիս մարտահրավեր են թափոնների կառավարման և վերամշակման համար: Մարտկոցները EV-ների ծախսերի հիմնական շարժիչ ուժն են, և դրանց հեռացումը նույնպես թանկ է: Բնապահպանական և տնտեսական ասպեկտները մղում են վերամշակման փակ օղակի, քանի որ մարտկոցի թափոնները պարունակում են արժեքավոր նյութեր և օգնում են նվազեցնել լիթիում-իոնային մարտկոցների արտադրության ածխածնի հետքը:
Li-ion մարտկոցների վերամշակումը աճում է դեպի արդյունաբերության ծաղկող հատված՝ ապահովելու համար հազվագյուտ հողային մետաղների և մարտկոցների այլ բաղադրիչների ապագա հասանելիությունը և նվազեցնելու հանքարդյունաբերության բնապահպանական ծախսերը:

Պիրոմետալուրգիական և հիդրոմետալուրգիական վերամշակում ընդդեմ ուլտրաձայնային մարտկոցների վերամշակման

Ստորև մենք համեմատում ենք պիրոմետալուրգիական և հիդրոմետալուրգիական պրոցեսների ավանդական մեթոդները ուլտրաձայնային տարրալվացման տեխնիկայի հետ՝ առավելությունների և թերությունների վերաբերյալ:

Սովորական մարտկոցների վերամշակման թերությունները

Լիթիում-իոնային մարտկոցների վերամշակման համար օգտագործվող ավանդական մեթոդները ներառում են պիրոմետալուրգիական և հիդրոմետալուրգիական գործընթացները:
 
Պիրոմետալուրգիական մեթոդներ ներառում են բարձր ջերմաստիճանի գործընթացներ, ինչպիսիք են ձուլումը կամ այրումը: Մարտկոցները ենթարկվում են ծայրահեղ ջերմության, ինչը հանգեցնում է օրգանական բաղադրիչների այրմանը, իսկ մնացած մետաղական բաղադրիչները հալվում և առանձնանում են: Այնուամենայնիվ, այս մեթոդները ունեն որոշ թերություններ.

• Շրջակա միջավայրի վրա ազդեցություն. Պիրոմետալուրգիական գործընթացները մթնոլորտ են արտանետում վնասակար արտանետումներ և աղտոտիչներ, որոնք նպաստում են օդի աղտոտմանը և պոտենցիալ վտանգներ առաջացնելով առողջության համար:
• Նյութերի կորուստ. Բարձր ջերմաստիճանի գործընթացները կարող են հանգեցնել արժեքավոր նյութերի և մետաղների կորստի ջերմային դեգրադացիայի պատճառով՝ նվազեցնելով վերականգնման ընդհանուր մակարդակը:
• Էներգիա ինտենսիվ. Այս մեթոդները սովորաբար պահանջում են զգալի էներգիայի ներդրում, ինչը մեծացնում է գործառնական ծախսերը և շրջակա միջավայրի ազդեցությունը:

 
Հիդրոմետալուրգիական մեթոդներ ներառում է քիմիական տարրալվացում՝ մարտկոցի բաղադրիչները լուծարելու և արժեքավոր մետաղներ հանելու համար: Թեև ավելի էկոլոգիապես մաքուր, քան պիրոմետալուրգիական մեթոդները, հիդրոմետալուրգիան ունի իր թերությունները.

• Քիմիական օգտագործումը. Լվացքի համար անհրաժեշտ են ուժեղ թթուներ կամ այլ քայքայիչ քիմիական նյութեր, ինչը մտահոգություն է առաջացնում քիմիական նյութերի հետ աշխատելու, թափոնների կառավարման և շրջակա միջավայրի հնարավոր աղտոտման վերաբերյալ:
• Ընտրողականության մարտահրավերներ. Ցանկալի մետաղների ընտրովի տարրալվացման հասնելը կարող է դժվար լինել՝ հանգեցնելով վերականգնման ավելի ցածր տեմպերի և արժեքավոր ռեսուրսների հնարավոր կորստի:

 

Ուլտրաձայնային մարտկոցների տարրալվացման առավելությունները սովորական տեխնիկայի նկատմամբ

Համեմատելով երկու պիրոմետալուրգիական և հիդրոմետալուրգիական վերամշակման տեխնիկայի հետ, ուլտրաձայնային մարտկոցների վերամշակման տեխնիկան մրցակցում է տարբեր առավելությունների պատճառով.

1. Բարձրացված արդյունավետություն. Ուլտրաձայնային ձայնագրումը կարող է արագացնել մարտկոցի նյութերի քայքայումը, ինչը հանգեցնում է մշակման ավելի կարճ ժամանակի և ընդհանուր արդյունավետության բարձրացման:
2. Վերականգնման բարելավված տեմպերը. Ուլտրաձայնային կավիտացիայի վերահսկվող կիրառումը ուժեղացնում է մարտկոցի բաղադրիչների քայքայումը՝ մեծացնելով արժեքավոր մետաղների վերականգնման տեմպերը:
3. Էկոլոգիապես բարեկամական: Ուլտրաձայնային վերամշակումը նվազեցնում է կախվածությունը բարձր ջերմաստիճանից և կոշտ քիմիական նյութերից՝ նվազագույնի հասցնելով շրջակա միջավայրի վրա ազդեցությունը և նվազեցնելով աղտոտիչների արտանետումները:
4. Ընտրովի տարրալվացում. Ուլտրաձայնի վերահսկվող կիրառումը թույլ է տալիս մարտկոցի մեջ հատուկ բաղադրիչների նպատակային խափանումը՝ դրանք արդյունավետորեն բաժանելով: Քանի որ տարբեր վերամշակվող մարտկոցների միացությունները հեռացվում են հատուկ ուլտրաձայնային ինտենսիվության տակ լուծարվելուց, մշակման օպտիմալացված պարամետրերը թույլ են տալիս առանձին նյութերի ընտրովի տարրալվացում: Սա հեշտացնում է արժեքավոր մետաղների և նյութերի արդյունավետ բաժանումը:
5. Նվազեցված էներգիայի սպառումը. Հիդրոմետալուրգիական և հատկապես պիրոմետալուրգիական մեթոդների համեմատ, ուլտրաձայնային վերամշակումն ընդհանուր առմամբ ավելի էներգաարդյունավետ է, ինչը հանգեցնում է գործառնական ծախսերի նվազմանը և ածխածնի հետքի կրճատմանը:
6. Ընդարձակություն և ճկունություն. Ուլտրաձայնային համակարգերը հեշտությամբ կարող են մեծացվել կամ իջեցվել մարտկոցների տարբեր չափերի և արտադրական հզորությունների համար: Բացի այդ, մարտկոցների վերամշակման ուլտրաձայնային սարքերը կարող են հեշտությամբ ինտեգրվել արդեն գոյություն ունեցող մարտկոցների վերամշակման օբյեկտներին: Հեշտ հասանելի տարբեր ուժային մասշտաբներով և համապատասխան աքսեսուարներով, ինչպիսիք են ուլտրաձայնային զոնդերը և հոսքային բջիջների ռեակտորները, ուլտրաձայնային սարքերը կարող են կարգավորել տարբեր չափերի և արտադրական հզորությունների մարտկոցների բաղադրիչները՝ ապահովելով ընդլայնելիություն և հարմարվողականություն վերամշակման գործընթացներում:
7. Սիներգետիկ ինտեգրում. Ուլտրաձայնային տարրալվացումը կարող է ինտեգրվել գոյություն ունեցող հիդրոմետալուրգիական մարտկոցների վերամշակման գծերին, որպեսզի ուժեղացվի և բարելավվի թանկարժեք մետաղների և նյութերի հիդրոմետալուրգիական տարրալվացումը սպառված Li-ion մարտկոցներից:

Ընդհանուր առմամբ, ուլտրաձայնային մարտկոցների վերամշակումը խոստումնալից է որպես ավելի էկոլոգիապես մաքուր, արդյունավետ և ընտրովի մեթոդ, համեմատած ավանդական պիրոմետալուրգիական և հիդրոմետալուրգիական մոտեցումների հետ:

 

Արդյունաբերական ուլտրաձայնային տարրալվացում՝ ծախսված մարտկոցներից մետաղների վերականգնման համար

Ուլտրաձայնային տարրալվացումը և մետաղի արդյունահանումը կարող են կիրառվել լիթիումի կոբալտ օքսիդի մարտկոցների վերամշակման գործընթացներում (օրինակ՝ նոութբուքերից, սմարթֆոններից և այլն), ինչպես նաև բարդ լիթիում-նիկել-մանգան-կոբալտ մարտկոցների (օրինակ՝ էլեկտրական մեքենաներից):
Բարձր հզորության ուլտրաձայնը հայտնի է քիմիական հեղուկների և ցեխերի մշակման ունակությամբ՝ զանգվածի փոխանցումը բարելավելու և քիմիական ռեակցիաներ սկսելու համար:
Ուլտրաձայնային հզորության ինտենսիվ ազդեցությունները հիմնված են ակուստիկ կավիտացիայի երևույթի վրա: Բարձր հզորության ուլտրաձայնը հեղուկների / ցեխերի մեջ միացնելով, հեղուկներում ցածր ճնշման և բարձր ճնշման փոփոխվող ալիքները առաջացնում են փոքր վակուումային փուչիկներ: Փոքր վակուումային բացերը աճում են տարբեր ցածր ճնշման / բարձր ճնշման ցիկլերի ընթացքում, մինչև որ դաժանորեն պայթեն: Փլուզվող վակուումային փուչիկները կարելի է համարել որպես միկրոռեակտորներ, որոնցում ջերմաստիճանը հասնում է մինչև 5000K, ճնշումը մինչև 1000ատմ և ջեռուցման և հովացման արագությունը 10-ից բարձր:^-10 առաջանալ. Ավելին, ստեղծվում են ուժեղ հիդրոդինամիկ կտրող ուժեր և հեղուկ շիթեր մինչև 280 մ/վ արագությամբ: Ակուստիկ կավիտացիայի այս ծայրահեղ պայմանները ստեղծում են արտասովոր ֆիզիկական և քիմիական պայմաններ այլապես սառը հեղուկներում և ստեղծում են բարենպաստ միջավայր քիմիական ռեակցիաների համար (այսպես կոչված. Սոնոքիմիա)

Ուլտրաձայնային ձևով առաջացած կավիտացիան կարող է առաջացնել լուծվող նյութերի ջերմոլիզ, ինչպես նաև բարձր ռեակտիվ ռադիկալների և ռեակտիվների ձևավորում, ինչպիսիք են ազատ ռադիկալները, հիդրօքսիդի իոնները (•OH,) հիդրոնիումը (H):₃O+) և այլն, որոնք հեղուկում ապահովում են արտասովոր ռեակտիվ պայմաններ, որպեսզի ռեակցիայի արագությունը զգալիորեն մեծանա։ Պինդները, ինչպիսիք են մասնիկները, արագանում են հեղուկ շիթերի միջոցով և մանրացվում են միջմասնիկների բախման և քայքայման հետևանքով, մեծացնելով ակտիվ մակերևույթի տարածքը և դրանով իսկ զանգվածի փոխանցումը:
Ուլտրաձայնային տարրալվացման և մետաղի վերականգնման մեծ առավելությունը գործընթացի պարամետրերի ճշգրիտ վերահսկումն է, ինչպիսիք են ամպլիտուդը, ճնշումը և ջերմաստիճանը: Այս պարամետրերը թույլ են տալիս ճշգրտել ռեակցիայի պայմանները գործընթացի միջավայրին և նպատակային արդյունքին: Ավելին, ուլտրաձայնային տարրալվացումը վերացնում է նույնիսկ ամենափոքր մետաղական մասնիկները ենթաշերտից՝ միաժամանակ պահպանելով միկրոկառուցվածքները: Մետաղի ուժեղացված վերականգնումը պայմանավորված է բարձր ռեակտիվ մակերեսների ուլտրաձայնային ստեղծմամբ, ռեակցիայի արագության բարձրացմամբ և զանգվածային տրանսպորտի բարելավմամբ: Sonication գործընթացները կարող են օպտիմիզացվել՝ ազդելով յուրաքանչյուր պարամետրի վրա և, հետևաբար, ոչ միայն շատ արդյունավետ են, այլև շատ էներգաարդյունավետ:
Դրա ճշգրիտ պարամետրերի վերահսկումը և էներգաարդյունավետությունը ուլտրաձայնային լվացումը դարձնում են բարենպաստ և գերազանց տեխնիկա – հատկապես, երբ համեմատվում է թթվային տարրալվացման և քելացիայի բարդ տեխնիկայի հետ:

LiCoO-ի ուլտրաձայնային վերականգնում₂ Օգտագործված լիթիում-իոնային մարտկոցներից

Ուլտրաձայնային ախտորոշումն օգնում է նվազեցնող տարրալվացմանը և քիմիական տեղումներին, որոնք օգտագործվում են Li-ը որպես Li վերականգնելու համար:₂CO₃ և Co որպես Co(OH)₂ լիթիում-իոնային մարտկոցների թափոններից:
Zhang et al. (2014) զեկուցել LiCoO-ի հաջող վերականգնման մասին₂ օգտագործելով ուլտրաձայնային ռեակտոր: 600 մլ մեկնարկային լուծույթը պատրաստելու համար տեղադրել են 10 գ անվավեր LiCoO.₂ փոշի բաժակի մեջ և ավելացրել 2.0 մոլ/լ LiOH լուծույթ, որոնք խառնվել են:
Խառնուրդը լցրեցին ուլտրաձայնային ճառագայթման մեջ և գործարկվեց հարիչ սարքը, հարիչ սարքը տեղադրվեց ռեակցիայի տարայի ներսի մեջ։ Այն տաքացրին մինչև 120◦C, իսկ հետո Ուլտրաձայնային սարք սահմանվել է 800 Վտ, իսկ ուլտրաձայնային գործողության ռեժիմը՝ իմպուլսային աշխատանքային ցիկլերի՝ 5 վայրկյան: ՄԻԱՑՎԱԾ / 2 վրկ. ԱՆՋԱՏՎԱԾ: Ուլտրաձայնային ճառագայթումը կիրառվել է 6 ժամ, այնուհետև ռեակցիայի խառնուրդը սառեցվել է սենյակային ջերմաստիճանում: Պինդ մնացորդը մի քանի անգամ լվացվեց դեոնացված ջրով և չորացվեց 80◦C ջերմաստիճանում մինչև մշտական քաշը: Ստացված նմուշը հավաքվել է հետագա փորձարկման և մարտկոցի արտադրության համար: Առաջին ցիկլում լիցքավորման հզորությունը 134,2 մԱժ/գ է, իսկ լիցքավորման հզորությունը՝ 133,5 մԱժ/գ։ Առաջին անգամ լիցքավորման և լիցքաթափման արդյունավետությունը կազմել է 99,5%: 40 ցիկլից հետո լիցքաթափման հզորությունը դեռ 132,9 մԱժ/գ է: (Zhang et al. 2014)
 

 
Ուլտրաձայնային տարրալվացումը օրգանական թթուներով, ինչպիսին է կիտրոնաթթունն է, ոչ միայն արդյունավետ է, այլև էկոլոգիապես մաքուր: Հետազոտությունները ցույց են տվել, որ Co-ի և Li-ի տարրալվացումը ավելի արդյունավետ է կիտրոնաթթուով, քան H2SO4 և HCl անօրգանական թթուներով: Ավելի քան 96% Co և գրեթե 100% Li վերականգնվել են սպառված լիթիում-իոնային մարտկոցներից: Այն փաստը, որ օրգանական թթուները, ինչպիսիք են կիտրոնաթթունն ու քացախաթթունը, էժան են և կենսաքայքայվող, նպաստում է սոնիկացիայի հետագա տնտեսական և բնապահպանական առավելություններին:

Բարձր հզորության արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարք՝ սպառված մարտկոցներից մետաղների տարրալվացման համար

Hielscher Ultrasonics-ը ձեր երկարամյա մատակարարն է բարձր արդյունավետ և հուսալի ուլտրաձայնային համակարգերի համար, որոնք ապահովում են անհրաժեշտ հզորությունը՝ մետաղները թափոններից մաքրելու համար: Li-ion մարտկոցները վերամշակելու համար մետաղներ արդյունահանելով, ինչպիսիք են կոբալտը, լիթիումը, նիկելը և մանգանը, անհրաժեշտ են հզոր և ամուր ուլտրաձայնային համակարգեր: Hielscher Ultrasonics արդյունաբերական ստորաբաժանումները, ինչպիսիք են UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) և UIP16000 (16kW) ամենաուժեղ և ամուր բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային համակարգերն են շուկայում: Մեր բոլոր արդյունաբերական ստորաբաժանումները կարող են շարունակաբար աշխատել մինչև 200 մկմ շատ բարձր ամպլիտուդներով 24/7 աշխատանքային ռեժիմով: Նույնիսկ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար մատչելի են հարմարեցված ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ: Hielscher ուլտրաձայնային սարքավորումների ամրությունը թույլ է տալիս 24/7 աշխատել ծանր պարտականությունների ժամանակ և պահանջկոտ միջավայրերում: Hielscher մատակարարում է հատուկ sonotrodes և ռեակտորներ բարձր ջերմաստիճանների, ճնշման և քայքայիչ հեղուկների համար: Սա մեր արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը դարձնում է առավել հարմար արդյունահանող մետալուրգիայի տեխնիկայի համար, օրինակ՝ հիդրոմետալուրգիական մշակումների համար:

Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորությունը.

---

---

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.