Ultrasuoni per il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio
- Le batterie agli ioni di litio utilizzate nelle auto elettriche sono appena arrivate sul mercato di massa e con esse devono essere sviluppate le capacità di riciclaggio.
- La lisciviazione ad ultrasuoni è una tecnica efficiente e rispettosa dell'ambiente per recuperare metalli come Li, Mg, Co, Ni ecc. dalle batterie Li-ion esaurite.
- I sistemi a ultrasuoni industriali di Hielscher per applicazioni di lisciviazione sono affidabili e robusti e possono essere facilmente integrati in impianti di riciclaggio esistenti.
Riciclaggio di batterie agli ioni di litio
Le batterie agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate in veicoli elettrici (EV), computer portatili e telefoni cellulari. Ciò significa che le batterie agli ioni di litio esaurite rappresentano una sfida attuale per quanto riguarda la gestione dei rifiuti e il riciclaggio. Le batterie sono uno dei principali fattori di costo per i veicoli elettrici e anche il loro smaltimento è costoso. Gli aspetti ambientali ed economici spingono per un ciclo di riciclaggio chiuso, poiché i rifiuti delle batterie contengono materiali preziosi e contribuiscono a ridurre l'impronta di carbonio della produzione di batterie agli ioni di litio.
Il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio sta diventando un settore industriale fiorente per garantire la futura disponibilità di metalli delle terre rare e di altri componenti delle batterie e per ridurre i costi ambientali dell'attività estrattiva.
Lisciviazione industriale ad ultrasuoni
La lisciviazione ad ultrasuoni e l'estrazione dei metalli può essere applicata ai processi di riciclaggio di batterie al litio cobalto ossido di cobalto (ad es. da computer portatili, smartphone, ecc.) e di complesse batterie al litio-nichel-manganese-cobalto (ad es. da veicoli elettrici).
Gli ultrasuoni ad alta potenza sono ben noti per la loro capacità di trattare liquidi chimici e fanghi al fine di migliorare il trasferimento di massa e avviare reazioni chimiche.
Gli intensi effetti dell'ultrasonicazione di potenza si basano sul fenomeno della cavitazione acustica. Accoppiando ultrasuoni ad alta potenza in liquidi / fanghi, le onde alternate a bassa pressione e ad alta pressione nei liquidi generano piccole bolle di vuoto. I piccoli vuoti di vuoto crescono in vari cicli di bassa pressione / alta pressione fino a quando l'implodere violentemente. Le bolle sottovuoto che collassano possono essere considerate come microreattori in cui temperature fino a 5000K, pressioni fino a 1000atm, e velocità di riscaldamento e raffreddamento superiori al 10%.-10 si verificano. Inoltre, si generano forti forze di taglio idrodinamiche e getti di liquidi con velocità fino a 280m/s. Queste condizioni estreme di cavitazione acustica creano condizioni fisiche e chimiche straordinarie in liquidi altrimenti freddi e creano un ambiente favorevole alle reazioni chimiche (Sonochimica).
Processore ad ultrasuoni da 48kW
per applicazioni impegnative come la lisciviazione dei metalli
Lisciviazione ad ultrasuoni dei metalli dai rifiuti di batterie esaurite.
Il grande vantaggio della lisciviazione ad ultrasuoni e del recupero dei metalli è il controllo preciso dei parametri di processo quali ampiezza, pressione e temperatura. Questi parametri consentono di adattare le condizioni di reazione esattamente al fluido di processo e all'uscita desiderata. Inoltre, la lisciviazione ad ultrasuoni rimuove anche le più piccole particelle metalliche dal substrato, preservando al contempo le microstrutture. L'aumento del recupero dei metalli è dovuto alla creazione di superfici altamente reattive, all'aumento della velocità di reazione e al miglioramento del trasporto di massa. I processi di sonicazione possono essere ottimizzati influenzando ogni parametro e sono quindi non solo molto efficaci, ma anche altamente efficienti dal punto di vista energetico.
Il suo esatto controllo dei parametri e l'efficienza energetica rendono la lisciviazione ad ultrasuoni la tecnica favorevole ed eccellente – soprattutto rispetto alle complicate tecniche di lisciviazione acida e di chelazione.
Recupero ad ultrasuoni di LiCoO2 da batterie agli ioni di litio esaurite
L'ultrasonicazione assiste la lisciviazione riduttiva e le precipitazioni chimiche, che vengono utilizzate per recuperare Li come Li2LE EMISSIONI DI CO3 e Co come Co(OH)2 da batterie agli ioni di litio di scarto.
Zhang et al. (2014) riportano il successo del recupero di LiCoO2 utilizzando un reattore ad ultrasuoni. per preparare la soluzione iniziale di 600mL, sono stati messi 10g di LiCoO2 in polvere in un becher e aggiunto 2.0mol/L di soluzione di LiOH, che sono stati miscelati.
La miscela è stata versata nell'irradiazione ultrasonica e il dispositivo di agitazione è stato avviato, il dispositivo di agitazione è stato posizionato all'interno del contenitore di reazione. E 'stato riscaldato a 120◦C, e poi il Dispositivo ad ultrasuoni è stato impostato su 800W e la modalità di azione a ultrasuoni è stata impostata su cicli di lavoro a impulsi di 5 sec. ON / 2sec. SPENTO. L'irradiazione ultrasonica è stata applicata per 6 ore, quindi la miscela di reazione è stata raffreddata a temperatura ambiente. Il residuo solido è stato lavato più volte con acqua deionizzata e asciugato a 80◦C fino a peso costante. Il campione ottenuto è stato raccolto per i successivi test e la produzione di batterie. La capacità di carica nel primo ciclo è di 134,2 mAh/g e la capacità di scarica è di 133,5 mAh/g. La prima carica e l'efficienza di scarico è stata del 99,5%. Dopo 40 cicli, la capacità di scarica è ancora 132,9 mAh/g. (Zhang et al. 2014)
Usato cristalli di LiCoO2 prima (a) e dopo (b) trattamento ad ultrasuoni a 120◦C per 6h. fonte: Zhang et al. 2014
La lisciviazione ad ultrasuoni con acidi organici come l'acido citrico non solo è efficace, ma anche ecologica. La ricerca ha dimostrato che la lisciviazione di Co e Li è più efficace con l'acido citrico che con gli acidi inorganici H2SO4 e HCl. Più del 96% di Co e quasi il 100% di Li sono stati recuperati da batterie agli ioni di litio esaurite. Il fatto che gli acidi organici come l'acido citrico e l'acido acetico sono economici e biodegradabili, contribuisce ad ulteriori vantaggi economici e ambientali della sonicazione.
Ultrasuoni industriali ad alta potenza
Hielscher Ultrasonics è il vostro fornitore di lunga esperienza per sistemi a ultrasuoni altamente efficienti e affidabili, che forniscono la potenza necessaria per la lisciviazione dei metalli dai materiali di scarto. Per rielaborare le batterie agli ioni di litio estraendo metalli come cobalto, litio, nichel e manganese, sono essenziali sistemi a ultrasuoni potenti e robusti. Ultrasuoni Hielscher’ unità industriali come la UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) e UIP16000 (16kW) sono i più potenti e robusti sistemi ad ultrasuoni ad alte prestazioni presenti sul mercato. Tutte le nostre unità industriali possono funzionare in continuo con ampiezze molto elevate fino a 200µm in funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi ad ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24/7 in ambienti gravosi e impegnativi. Hielscher fornisce sonotrodi e reattori speciali per alte temperature, pressioni e liquidi corrosivi. Questo rende i nostri ultrasuoni industriali più adatti alle tecniche di metallurgia estrattiva, come ad esempio i trattamenti idrometallurgici.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
Particolarità / Cose da sapere
Batterie agli ioni di litio
Le batterie agli ioni di litio (LIB) sono il terme collettivo per batterie (ricaricabili) che offrono un'alta densità di energia e sono spesso integrate nell'elettronica di consumo come auto elettroniche, auto ibride, computer portatili, telefoni cellulari, iPod, ecc. Rispetto ad altre varianti di batterie ricaricabili di dimensioni e capacità simili, gli LIB sono notevolmente più leggeri.
A differenza della batteria primaria al litio usa e getta, un LIB utilizza come elettrodo un composto di litio intercalato al posto del litio metallico. I principali componenti di una batteria agli ioni di litio sono i suoi elettrodi – anodo e catodo – e l'elettrolita.
La maggior parte delle celle condividono componenti comuni in termini di elettrolita, separatore, lamine e involucro. La differenza principale tra le tecnologie cellulari è il materiale utilizzato come “materiali attivi” come il catodo e l'anodo. La grafite è il materiale più frequentemente usato come anodo, mentre il catodo è costituito da LiMO2 stratificato (M = Mn, Co e Ni), spinello LiMn2O4o olivina LiFePO4. L'elettrolita liquido organico elettrolitico (ad es. il sale LiPF6 disciolto in una miscela di solventi organici, come il carbonato di etilene (EC), il carbonato di dimetile (DMC), il carbonato di dietile (DEC), il carbonato di etile etilmetile (EMC), ecc.
A seconda dei materiali degli elettrodi positivi (catodo) e negativi (anodo), la densità di energia e la tensione dei LIB variano rispettivamente.
Quando viene utilizzato nei veicoli elettrici, spesso si utilizzano batterie per veicoli elettrici (EVB) o batterie di trazione. Tali batterie di trazione sono utilizzate in carrelli elevatori, carrelli da golf elettrici, lavasciuga pavimenti, motociclette elettriche, auto elettriche, camion, furgoni e altri veicoli elettrici.
Riciclaggio dei metalli da batterie agli ioni di litio esaurite
Rispetto ad altri tipi di batterie che spesso contengono piombo o cadmio, le batterie Li-ion contengono metalli meno tossici e sono quindi considerate rispettose dell'ambiente. Tuttavia, la grande quantità di batterie Li-ion esaurite, che dovranno essere smaltite come batterie esaurite delle auto elettriche, presenta un problema di rifiuti. Pertanto, è necessario un circuito chiuso di riciclaggio delle batterie agli ioni di litio. Da un punto di vista economico, elementi metallici come ferro, rame, nichel, cobalto e litio possono essere recuperati e riutilizzati nella produzione di nuove batterie. Il riciclaggio potrebbe evitare anche in futuro una carenza di risorse.
Sebbene siano in commercio batterie con un carico di nichel più elevato, non è possibile produrre batterie senza cobalto. Il maggior contenuto di nichel ha un costo: Con l'aumento del contenuto di nichel, la stabilità della batteria diminuisce e di conseguenza la sua durata di vita e la capacità di ricarica rapida sono ridotte.
La crescente domanda di batterie agli ioni di litio richiede un aumento delle capacità di riciclaggio delle batterie usate.
Processo di riciclaggio
Le batterie dei veicoli elettrici come la Tesla Roadster hanno una durata di vita di circa 10 anni.
Il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio esaurite è un processo impegnativo in quanto sono coinvolti alta tensione e sostanze chimiche pericolose, il che comporta il rischio di dispersione termica, scosse elettriche e l'emissione di sostanze pericolose.
Al fine di stabilire un riciclaggio a circuito chiuso, ogni legame chimico e tutti gli elementi devono essere separati nelle loro singole frazioni. Tuttavia, l'energia necessaria per un tale riciclaggio a ciclo chiuso è molto costosa. I materiali più preziosi per il recupero sono i metalli come Ni, Co, Cu, Cu, Li, Li, ecc. poiché le costose attività estrattive e gli elevati prezzi di mercato dei componenti metallici rendono il riciclaggio economicamente interessante.
Il processo di riciclaggio delle batterie agli ioni di litio inizia con lo smontaggio e la scarica delle batterie. Prima di aprire la batteria, è necessaria una passivazione per disattivare le sostanze chimiche presenti nella batteria. La passivazione può essere ottenuta mediante congelamento criogenico o ossidazione controllata. A seconda delle dimensioni della batteria, le batterie possono essere smontate e smontate fino alla cella. Dopo lo smontaggio e la frantumazione, i componenti vengono isolati con diversi metodi (ad es. vagliatura, setacciatura, raccolta manuale, separazione magnetica, ad umido e balistica) per rimuovere le celle, l'alluminio, il rame e la plastica dalla polvere dell'elettrodo. La separazione dei materiali degli elettrodi è necessaria per i processi a valle, ad esempio il trattamento idrometallurgico.
Pirolisi
Per la lavorazione pirolitica, le batterie triturate vengono fuse in un forno dove viene aggiunto calcare come agente di formazione delle scorie.
Processi idrotermali
La lavorazione idrometallurgica si basa su reazioni acide per precipitare i sali come metalli. Tipici processi idrometallurgici sono la lisciviazione, la precipitazione, lo scambio ionico, l'estrazione con solventi e l'elettrolisi di soluzioni acquose.
Il vantaggio del trattamento idrotermale è l'elevato rendimento di recupero di +95% di Ni e Co come sali, +90% di Li può essere precipitato, e il resto può essere recuperato fino a +80%.
In particolare il cobalto è un componente critico nei catodi delle batterie agli ioni di litio per applicazioni ad alta energia e potenza.
Le attuali auto ibride, come la Toyota Prius, utilizzano batterie al nichel-metallo idruro, che vengono smontate, scaricate e riciclate in modo simile alle batterie Li-ion.
Letteratura/riferimenti
- 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.
Potente sonicazione da laboratorio e da banco fino alla produzione industriale.