Ultrasonik untuk Daur Ulang Baterai Lithium Ion

• Baterai lithium-ion yang digunakan pada mobil listrik baru saja hadir di pasar massal dan dengan itu, kapasitas daur ulang harus dikembangkan.
• Pencucian ultrasonik adalah teknik yang efisien dan ramah lingkungan untuk memulihkan logam seperti Li, Mg, Co, Ni dll dari baterai Li-ion bekas.
• 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 banyak digunakan pada kendaraan listrik (EV), laptop, dan ponsel. Ini berarti bahwa baterai lithium-ion bekas merupakan tantangan saat ini terkait pengelolaan limbah dan daur ulang. Baterai adalah pendorong biaya utama untuk EV, dan pembuangannya juga mahal. Aspek lingkungan dan ekonomi mendorong lingkaran daur ulang 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 pesat untuk memastikan ketersediaan logam tanah jarang dan komponen baterai lainnya di masa depan dan untuk mengurangi biaya lingkungan pertambangan.

Daur Ulang Pyrometallurgical dan Hydrometalurgi vs Daur Ulang Baterai Ultrasonik

Di bawah ini, kami membandingkan metode konvensional proses pirometalurgi dan hidrometalurgi dengan teknik pencucian ultrasonik mengenai kelebihan dan kekurangan.

Kekurangan Daur Ulang Baterai Konvensional

Metode tradisional yang digunakan untuk daur ulang baterai lithium-ion meliputi proses pirometalurgi dan hidrometalurgi.
 
Metode Pyrometallurgical melibatkan proses suhu tinggi seperti peleburan atau pembakaran. Baterai mengalami panas yang ekstrem, menyebabkan komponen organik terbakar, dan komponen logam yang tersisa meleleh dan dipisahkan. Namun, metode ini memiliki beberapa kelemahan:

• Dampak Lingkungan: Proses piromtakalogis melepaskan emisi dan polutan berbahaya ke atmosfer, berkontribusi terhadap polusi udara dan berpotensi menyebabkan bahaya kesehatan.
• Kehilangan Bahan: Proses suhu tinggi dapat mengakibatkan hilangnya bahan dan logam berharga karena degradasi termal, mengurangi tingkat pemulihan secara keseluruhan.
• Intensif Energi: Metode ini biasanya membutuhkan input energi yang signifikan, yang meningkatkan biaya operasional dan jejak lingkungan.

 
Metode hidrometalurgi melibatkan pencucian kimia untuk melarutkan komponen baterai dan mengekstrak logam berharga. Meskipun lebih ramah lingkungan daripada metode pirometalurgi, hidrometalurgi memiliki kekurangannya sendiri:

• Penggunaan Kimia: Asam kuat atau bahan kimia korosif lainnya diperlukan untuk pencucian, yang menimbulkan kekhawatiran tentang penanganan bahan kimia, pengelolaan limbah, dan potensi pencemaran lingkungan.
• Tantangan Selektivitas: Mencapai pencucian selektif dari logam yang diinginkan bisa jadi sulit, yang menyebabkan tingkat pemulihan yang lebih rendah dan potensi hilangnya sumber daya yang berharga.

 

Keuntungan Pencucian Baterai Ultrasonik dibandingkan Teknik Konvensional

Jika dibandingkan dengan keduanya, teknik daur ulang pirometalurgi dan hidrometalurgi, teknik daur ulang baterai ultrasonik mengungguli karena berbagai keunggulan:

1. Peningkatan Efisiensi: Sonikasi ultrasonik dapat mempercepat pemecahan bahan baterai, menghasilkan waktu pemrosesan yang lebih singkat dan efisiensi keseluruhan yang lebih tinggi.
2. Tingkat Pemulihan yang Ditingkatkan: Aplikasi kavitasi ultrasonik yang terkontrol meningkatkan kerusakan komponen baterai, meningkatkan tingkat pemulihan logam berharga.
3. Ramah lingkungan: Daur ulang ultrasonik mengurangi ketergantungan pada suhu tinggi dan bahan kimia keras, meminimalkan dampak lingkungan dan menurunkan emisi polutan.
4. Pencucian Selektif: Aplikasi ultrasound yang terkontrol memungkinkan gangguan yang ditargetkan dari komponen tertentu di dalam baterai, memisahkannya secara efisien. Karena senyawa baterai yang dapat didaur ulang yang berbeda dihilangkan dan terlarut di bawah intensitas ultrasonik tertentu, parameter pemrosesan yang dioptimalkan memungkinkan pencucian selektif dari masing-masing bahan. Ini memfasilitasi pemisahan logam dan bahan berharga yang efisien.
5. Mengurangi konsumsi energi: Dibandingkan dengan keduanya, metode hidrometalurgi dan terutama untuk pirometalurgi, daur ulang ultrasonik umumnya lebih hemat energi, yang mengarah pada biaya operasional yang lebih rendah dan pengurangan jejak karbon.
6. Skalabilitas dan Fleksibilitas: Sistem ultrasonik dapat dengan mudah ditingkatkan atau diturunkan untuk mengakomodasi berbagai ukuran baterai dan kapasitas produksi. Selain itu, ultrasonicator untuk daur ulang baterai dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam fasilitas daur ulang baterai yang sudah ada. Tersedia di berbagai skala daya dan aksesori yang cocok seperti probe ultrasonik dan reaktor sel aliran, ultrasonicators dapat menangani komponen baterai berbagai ukuran dan kapasitas produksi, memberikan skalabilitas dan kemampuan beradaptasi dalam proses daur ulang.
7. Integrasi Sinergis: Pencucian ultrasonik dapat diintegrasikan ke dalam jalur daur ulang baterai hidrometalurgi yang ada untuk mengintensifkan dan meningkatkan pencucian hidrometalurgi logam dan bahan berharga dari baterai Li-ion bekas.

Secara keseluruhan, daur ulang baterai ultrasonik menunjukkan janji sebagai metode yang lebih ramah lingkungan, efisien, dan selektif dibandingkan dengan pendekatan pirometalurgi dan hidrometalurgi tradisional.

 

Pencucian Ultrasonik Industri untuk Pemulihan Logam dari Baterai Bekas

Pencucian ultrasonik dan ekstraksi logam dapat diterapkan pada proses daur ulang baterai lithium kobalt oksida (misalnya dari laptop, smartphone, dll.) serta baterai lithium-nikel-mangan-kobalt kompleks (misalnya dari kendaraan listrik).
Ultrasonografi berdaya tinggi terkenal karena kemampuannya untuk memproses cairan kimia dan bubur untuk meningkatkan perpindahan massa dan memulai reaksi kimia.
Efek intens dari ultrasonication daya didasarkan pada fenomena kavitasi akustik. Dengan menggabungkan ultrasound berdaya tinggi ke dalam cairan / bubur, gelombang tekanan rendah dan tekanan tinggi yang bergantian dalam cairan menghasilkan gelembung vakum kecil. Rongga vakum kecil tumbuh di 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 1000atm, dan laju pemanasan dan pendinginan di atas 10^-10 terjadi. Selanjutnya, gaya geser hidrodinamik yang kuat dan jet cair dengan kecepatan hingga 280m/s dihasilkan. Kondisi ekstrim kavitasi akustik ini menciptakan kondisi fisik dan kimia yang luar biasa dalam cairan dingin dan menciptakan lingkungan yang menguntungkan untuk reaksi kimia (yang disebut Sonochemistry).

Kavitasi yang dihasilkan secara ultrasonik dapat menginduksi termolisis zat terlarut serta pembentukan radikal dan reagen yang sangat reaktif, seperti radikal bebas, ion hidroksida (•OH,) hidronium (H₃O+) dll., yang memberikan kondisi reaktif yang luar biasa dalam cairan sehingga laju reaksi meningkat secara signifikan. Padatan, seperti partikel, dipercepat oleh jet cair dan digiling oleh tabrakan interspesifik dan abrasi, meningkatkan luas permukaan aktif dan dengan demikian perpindahan massa.
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 dengan tepat dengan media proses dan output yang ditargetkan. Selain itu, pencucian ultrasonik menghilangkan partikel logam terkecil dari substrat, sambil mempertahankan struktur mikro. Pemulihan logam yang ditingkatkan disebabkan oleh penciptaan ultrasonik dari permukaan yang sangat reaktif, peningkatan laju reaksi, dan peningkatan transportasi massa. Proses sonikasi 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 energi membuat pencucian ultrasonik menjadi teknik yang menguntungkan dan unggul – Terutama jika dibandingkan dengan teknik pencucian asam dan khelasi yang rumit.

Pemulihan Ultrasonik LiCoO₂ dari Baterai Lithium-Ion Bekas

Ultrasonikasi membantu pencucian reduktif dan presipitasi kimia, yang digunakan untuk memulihkan Li sebagai Li₂CO₃ dan Co sebagai Co(OH)₂ dari limbah baterai lithium-ion.
Zhang et al. (2014) melaporkan keberhasilan pemulihan LiCoO₂ menggunakan reaktor ultrasonik. untuk menyiapkan larutan awal 600mL, mereka menempatkan 10g LiCoO yang tidak valid₂ bubuk dalam gelas kimia dan menambahkan 2.0mol/L larutan LiOH, yang dicampur.
Campuran dituangkan ke dalam iradiasi ultrasonik dan perangkat pengaduk dimulai, perangkat pengaduk ditempatkan di bagian dalam wadah reaksi. Itu dipanaskan hingga 120◦C, dan kemudian Perangkat ultrasonik diatur ke 800W dan mode aksi ultrasonik diatur ke siklus kerja berdenyut 5 detik ON / 2 detik OFF. Iradiasi ultrasonik diterapkan selama 6 jam, dan kemudian campuran reaksi didinginkan hingga suhu kamar. Residu padat dicuci beberapa kali dengan air deionisasi dan dikeringkan pada suhu 80◦C sampai berat konstan. Sampel yang diperoleh dikumpulkan untuk pengujian selanjutnya dan produksi baterai. Kapasitas pengisian pada siklus pertama adalah 134.2mAh/g dan kapasitas pengosongan adalah 133.5mAh/g. Efisiensi pengisian dan pengosongan pertama kali adalah 99,5%. Setelah 40 siklus, kapasitas debit masih 132.9mAh/g. (Zhang et al. 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 H2SO4 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 secara hayati, berkontribusi pada keuntungan ekonomi dan lingkungan lebih lanjut dari sonikasi.

Ultrasonik Industri Berdaya Tinggi untuk Pencucian Logam dari Baterai Bekas

Hielscher Ultrasonics adalah pemasok berpengalaman lama Anda untuk sistem ultrasonik yang sangat efisien dan andal, yang memberikan daya yang dibutuhkan untuk melarutkan logam dari bahan limbah. Untuk memproses ulang baterai li-ion dengan mengekstraksi logam seperti kobalt, lithium, nikel, dan mangan, sistem ultrasonik yang kuat dan kuat sangat penting. Unit industri Hielscher Ultrasonics seperti UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW), dan UIP16000 (16kW) adalah sistem ultrasound berkinerja tinggi yang paling kuat dan kuat di pasaran. Semua unit industri kami dapat terus dijalankan dengan amplitudo yang sangat tinggi hingga 200μm dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrode ultrasonik yang disesuaikan tersedia. Kekokohan peralatan ultrasonik Hielscher memungkinkan pengoperasian 24/7 pada tugas berat dan di lingkungan yang menuntut. Hielscher juga memasok sonotrode dan reaktor khusus untuk suhu tinggi, tekanan, dan cairan korosif. Ini membuat ultrasonicators industri kami paling cocok untuk teknik metalurgi ekstraktif, misalnya perawatan hidrometalurgi.

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:

---

---

Literatur / Referensi

• 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.