Ultrasonik untuk Daur Ulang Baterai Lithium Ion
- Baterai lithium-ion yang digunakan dalam mobil listrik sekarang datang ke pasar massal dan dengan itu, kapasitas daur ulang harus dikembangkan.
- Ultrasonik pencucian adalah teknik yang efisien, ramah lingkungan untuk memulihkan logam seperti Li, Mg, Co, Ni dll dari baterai Li-ion yang dihabiskan.
- Sistem ultrasonik industri Hielscher untuk aplikasi pencucian dapat diandalkan dan kuat dan dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam pabrik daur ulang yang ada.
Daur ulang Baterai Lithium-ion
Baterai lithium-ion secara luas digunakan dalam kendaraan listrik (EV), laptop dan ponsel. Ini berarti bahwa baterai lithium-ion yang dihabiskan adalah tantangan saat ini terkait pengelolaan limbah dan daur ulang. Baterai adalah sopir biaya utama untuk EVs, dan pembuangan mereka mahal juga. Aspek lingkungan dan ekonomis mendorong daur ulang lingkaran tertutup karena limbah baterai mengandung bahan berharga dan membantu mengurangi jejak karbon dari pembuatan baterai lithium-ion.
Daur ulang baterai Li-ion berkembang menjadi sektor industri yang berkembang untuk memastikan ketersediaan masa depan logam tanah langka dan komponen baterai lainnya dan untuk mengurangi biaya lingkungan penambangan.
Pencucian Ultrasonik Industri
Ultrasonik pencucian dan ekstraksi logam dapat diterapkan untuk proses daur ulang baterai lithium kobalt oksida (misalnya dari laptop, smartphone, dll) serta baterai lithium-nikel-mangan-kobalt kompleks (misalnya dari kendaraan listrik).
Ultrasound daya tinggi terkenal karena kemampuannya untuk memproses cairan kimia dan slurry untuk meningkatkan transfer massa dan memulai reaksi kimia.
Efek intens dari ultrasonication daya didasarkan pada fenomena kavitasi akustik. Dengan menggabungkan ultrasound daya tinggi ke dalam cairan / bubur, gelombang tekanan rendah dan tekanan tinggi dalam cairan menghasilkan gelembung vakum kecil. Void vakum kecil tumbuh di atas berbagai siklus tekanan rendah / tekanan tinggi sampai meledak dengan keras. Gelembung vakum yang runtuh dapat dianggap sebagai mikroreaktor di mana suhu hingga 5000K, tekanan hingga 1000m, dan tingkat pemanasan dan pendinginan di atas 10-10 terjadi. Selanjutnya, gaya geser hidrodinamik yang kuat dan pancaran cairan dengan kecepatan 280 m / s dihasilkan. Kondisi ekstrim dari kavitasi akustik ini menciptakan kondisi fisik dan kimia yang luar biasa dalam cairan dingin dan menciptakan lingkungan yang bermanfaat untuk reaksi kimia (Sonochemistry).
Prosesor ultrasonik 48kW
untuk aplikasi yang menuntut seperti pencucian logam
Ultrasonik pencucian logam dari limbah baterai yang habis.
Keuntungan besar dari pencucian ultrasonik dan pemulihan logam adalah kontrol yang tepat atas parameter proses seperti amplitudo, tekanan, dan suhu. Parameter ini memungkinkan untuk menyesuaikan kondisi reaksi tepat dengan medium proses dan output yang ditargetkan. Selanjutnya, pencucian ultrasonik menghilangkan bahkan partikel logam terkecil dari substrat, sambil mempertahankan struktur mikro. Pemulihan logam yang ditingkatkan adalah karena pembuatan ultrasonik dari permukaan yang sangat reaktif, peningkatan laju reaksi, dan peningkatan transportasi massal. Proses Sonication dapat dioptimalkan dengan mempengaruhi setiap parameter dan oleh karena itu tidak hanya sangat efektif tetapi juga sangat hemat energi.
Kontrol parameter yang tepat dan efisiensi energinya membuat teknik pencucian ultrasonik menjadi teknik yang menguntungkan dan unggul – terutama bila dibandingkan dengan teknik pencucian asam dan chelation yang rumit.
Ultrasonic Recovery dari LiCoO2 dari Baterai Litium-Ion Bekas
Ultrasonication membantu pencucian reduktif dan presipitasi kimia, yang digunakan untuk memulihkan Li sebagai Li2BERSAMA3 dan Co as Co (OH)2 dari limbah baterai lithium-ion.
Zhang et al. (2014) melaporkan keberhasilan pemulihan LiCoO2 menggunakan reaktor ultrasonik. untuk menyiapkan solusi awal 600mL, mereka menempatkan 10g LiCoO yang tidak valid2 bubuk dalam gelas dan menambahkan 2.0mol / L larutan LiOH, yang dicampur.
Campuran dituangkan ke dalam iradiasi ultrasonik dan alat pengaduk dimulai, alat pengaduk ditempatkan di bagian dalam wadah reaksi. Itu dipanaskan hingga 120◦C, dan kemudian Perangkat ultrasonik diatur ke 800W dan mode ultrasonik tindakan diatur ke siklus tugas berdenyut 5 detik. AKTIF / 2detik. MATI. Iradiasi ultrasonik diaplikasikan selama 6 jam, dan kemudian campuran reaksi didinginkan hingga suhu kamar. Residu padat dicuci beberapa kali dengan air deionisasi dan dikeringkan pada 80◦C sampai berat konstan. Sampel yang diperoleh dikumpulkan untuk pengujian berikutnya dan produksi baterai. Kapasitas muatan dalam siklus pertama adalah 134,2 mAh / g dan kapasitas debit adalah 133,5 mAh / g. Efisiensi muatan dan debit pertama kali adalah 99,5%. Setelah 40 siklus, kapasitas debit masih 132,9 mAh / g. (Zhang et al. 2014)
Kristal LiCoO2 digunakan sebelum (a) dan setelah (b) perawatan ultrasound pada 120◦C selama 6 jam. sumber: Zhang dkk. 2014
Pencucian ultrasonik dengan asam organik seperti asam sitrat tidak hanya efektif tetapi juga ramah lingkungan. Penelitian menemukan bahwa pencucian Co dan Li lebih efisien dengan asam sitrat daripada dengan asam anorganik H2BEGITU4 dan HCl. Lebih dari 96% Co dan hampir 100% Li ditemukan dari baterai lithium-ion bekas. Fakta bahwa asam organik seperti asam sitrat dan asam asetat tidak mahal dan dapat terurai, memberikan kontribusi bagi keuntungan sonik yang lebih ekonomis dan lingkungan.
Ultrasonik Industri Berkekuatan Tinggi
Hielscher Ultrasonics adalah pemasok lama yang berpengalaman untuk sistem ultrasonik yang sangat efisien dan andal, yang memberikan daya yang dibutuhkan untuk merembesi logam dari bahan limbah. Untuk memproses ulang baterai li-ion dengan mengekstrak logam seperti kobalt, lithium, nikel, dan mangan, sistem ultrasonik yang kuat dan kuat sangat penting. Hielscher Ultrasonics’ unit industri seperti UIP4000hdT (4 kW), UIP10000 (10kW) dan UIP16000 (16kW) adalah sistem ultrasound berkinerja tinggi yang paling kuat dan kuat di pasaran. Semua unit industri kami dapat terus berjalan dengan amplitudo sangat tinggi hingga 200μm dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrodes ultrasonik yang disesuaikan tersedia. Kekokohan peralatan ultrasonik Hielscher memungkinkan untuk beroperasi 24/7 pada tugas berat dan di lingkungan yang menuntut. Hielscher memasok sonotrodes khusus dan reaktor untuk suhu tinggi, tekanan dan cairan korosif juga. Ini membuat ultrasonik industri kami paling cocok untuk teknik ekstraksi metalurgi, misalnya perawatan hidrometalurgi.
Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:
| Batch Volume | Flow Rate | Direkomendasikan perangkat |
|---|---|---|
| 0.1 hingga 20L | 0.2 sampai 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 sampai 100L | 2-10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 sampai 100L/menit | UIP16000 |
| n.a. | kristal yang lebbig | cluster UIP16000 |
Literatur / Referensi
- Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): Pemulihan lithium dan kobalt dari baterai lithium-ion bekas menggunakan asam organik: Proses optimasi dan aspek kinetik. Pengelolaan Limbah 64, 2017. 244–254.
- Shin S.-M .; Lee D.-W .; Wang J.-P. (2018): Fabrikasi Serbuk Nanosized Nikel dari LiNiO2 dari Baterai Bekas Lithium-Ion. Logam 8, 2018.
- Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Renovasi Hidrotermal dengan bantuan ultrasonografi dari LiCoO2 dari Katoda Baterai Litium-ion Bekas. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
- Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Pemulihan Bahan Lithium Kobalt Oksida dari Katoda Baterai Litium-Ion Bekas. ECS Elektrokimia Huruf, 3 (6), 2014. A58-A61.
Fakta-fakta yang Patut Diketahui
Baterai Lithium-Ion
Baterai lithium-ion (LIB) adalah istilah kolektif untuk baterai (yang dapat diisi ulang) yang menawarkan kepadatan energi yang tinggi dan sering terintegrasi dalam elektronik konsumen seperti mobil elektronik, mobil hibrida, laptop, telepon seluler, iPod, dll. Dibandingkan dengan varian lain dari baterai isi ulang dengan ukuran dan kapasitas yang sama, LIB secara signifikan lebih ringan.
Tidak seperti baterai primer lithium sekali pakai, LIB menggunakan senyawa litium interkalatif sebagai pengganti lithium logam sebagai elektrode. Konstituen utama dari baterai lithium-ion adalah elektrodanya – anoda dan katoda – dan elektrolit.
Sebagian besar sel berbagi komponen umum dalam hal elektrolit, separator, foil dan casing. Perbedaan utama antara teknologi sel adalah material yang digunakan sebagai “bahan aktif” seperti katoda dan anoda. Grafit adalah material yang paling sering digunakan sebagai anoda, sedangkan katoda terbuat dari LiMO2 berlapis (M = Mn, Co, dan Ni), spinel LiMn2O4, atau LiFePO olivin4. Elektrolit cairan elektrolit organik (misalnya, garam LiPF6 dilarutkan dalam campuran pelarut organik, seperti etilena karbonat (EC), dimetil karbonat (DMC), dietil karbonat (DEC), etil metil karbonat (EMC), dll.) Memungkinkan untuk gerakan ionik.
Tergantung pada material elektroda positif (katoda) dan negatif (anoda), kerapatan energi dan tegangan LIB bervariasi masing-masing.
Ketika digunakan dalam kendaraan listrik, sering baterai kendaraan listrik (EVB) atau baterai traksi digunakan. Baterai traksi seperti ini digunakan dalam forklift, kereta golf listrik, pembersih lantai, sepeda motor listrik, mobil listrik, truk, van, dan kendaraan listrik lainnya.
Daur Ulang Logam dari Baterai Bekas Li-Ion
Dibandingkan dengan jenis baterai lain yang sering mengandung timbal atau kadmium, baterai Li-ion mengandung lebih sedikit logam beracun dan oleh karena itu dianggap ramah lingkungan. Namun, sejumlah besar baterai Li-ion yang dihabiskan, yang harus dibuang sebagai baterai yang dikeluarkan dari mobil listrik, menghadirkan masalah limbah. Oleh karena itu, diperlukan daur daur ulang baterai Li-ion yang tertutup. Dari sudut pandang ekonomi, unsur-unsur logam seperti besi, tembaga, nikel, kobalt, dan lithium dapat dipulihkan dan digunakan kembali dalam produksi baterai baru. Daur ulang dapat mencegah kekurangan di masa depan juga.
Meskipun baterai dengan muatan nikel lebih tinggi masuk ke pasar, tidak mungkin menghasilkan baterai tanpa kobalt. Kandungan nikel yang lebih tinggi datang dengan biaya: Dengan peningkatan kandungan nikel, stabilitas baterai menurun dan dengan demikian siklus hidup dan kemampuan pengisian cepat berkurang.
Tumbuh permintaan untuk baterai Li-ion meminta peningkatan kapasitas daur ulang untuk baterai limbah.
Proses Daur Ulang
Baterai kendaraan listrik seperti Tesla Roadster memiliki perkiraan umur 10 tahun.
Daur ulang baterai Li-ion yang habis adalah proses yang menuntut karena tegangan tinggi dan bahan kimia berbahaya terlibat, yang datang dengan risiko pelarian termal, kejutan listrik dan emisi zat berbahaya.
Untuk membuat daur ulang siklus tertutup, setiap ikatan kimia dan semua elemen harus dipisahkan ke dalam pecahan masing-masing. Namun, energi yang dibutuhkan untuk daur ulang putaran tertutup sangat mahal. Bahan yang paling berharga untuk pemulihan adalah logam seperti Ni, Co, Cu, Li, dll. Karena pertambangan mahal dan harga pasar yang tinggi dari komponen logam membuat daur ulang menarik secara ekonomi.
Proses daur ulang baterai Li-ion dimulai dengan pembongkaran dan pemakaian baterai. Sebelum membuka baterai, passivasi diperlukan untuk menonaktifkan bahan kimia di dalam baterai. Pasifasi dapat dicapai dengan pembekuan kriogenik atau oksidasi terkontrol. Tergantung pada ukuran baterai, baterai dapat dibongkar dan dibongkar ke bawah ke sel. Setelah pembongkaran dan penghancuran, komponen diisolasi dengan beberapa metode (misalnya penyaringan, pengayakan, pengambilan tangan, magnetik, basah, dan pemisahan balistik) untuk menghilangkan sel casing, aluminium, tembaga dan plastik dari serbuk elektroda. Pemisahan bahan elektroda diperlukan untuk proses hilir, misalnya perawatan hidrometalurgi.
Pirolisis
Untuk pemrosesan pirolitik, baterai parut dilebur dalam tungku di mana batu gamping ditambahkan sebagai zat pembentuk terak.
Proses Hidrotermal
Pengolahan hidrometalurgi didasarkan pada reaksi asam untuk mengendapkan garam sebagai logam. Proses hidrometalurgi khas termasuk pencucian, pengendapan, pertukaran ion, ekstraksi pelarut dan elektrolisis larutan berair.
Keuntungan dari pengolahan hidrotermal adalah hasil pemulihan yang tinggi yaitu + 95% Ni dan Co sebagai garam, + 90% Li dapat diendapkan, dan sisanya dapat dipulihkan hingga + 80%.
Terutama kobalt adalah komponen penting dalam katoda baterai lithium-ion untuk energi tinggi dan aplikasi daya.
Mobil hibrida saat ini seperti Toyota Prius, menggunakan baterai hidrida logam nikel, yang dibongkar, dibuang dan didaur ulang dengan cara yang sama seperti baterai Li-ion.
Sonication yang kuat dari lab dan bench-top ke produksi industri.