Ultrasuoni per il riciclo di 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 è necessario sviluppare capacità di riciclaggio.
- La lisciviazione ad ultrasuoni è una tecnica efficiente e rispettosa dell'ambiente per il recupero di metalli come Li, Mg, Co, Ni ecc. Da batterie esauste agli ioni di litio.
- I sistemi ad ultrasuoni industriali Hielscher per applicazioni di lisciviazione sono affidabili e robusti e possono essere facilmente integrati negli 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 crescendo in un fiorente settore industriale al fine di garantire la futura disponibilità di metalli delle terre rare e di altri componenti delle batterie e di ridurre i costi ambientali dell'attività mineraria.
Lisciviazione ultrasonica industriale
La lisciviazione ultrasonica e l'estrazione del metallo possono essere applicate ai processi di riciclaggio delle batterie al litio-cobalto-ossido (ad esempio da laptop, smartphone, ecc.) E di complesse batterie al litio-nichel-manganese-cobalto (ad es. Dai veicoli elettrici).
Gli ultrasuoni ad alta potenza sono ben noti per la sua capacità di trattare liquidi chimici e fanghi per migliorare il trasferimento di massa e avviare reazioni chimiche.
Gli intensi effetti della ultrasonica di potenza si basano sul fenomeno della cavitazione acustica. Accoppiando ultrasuoni ad alta potenza in liquidi / fanghi, le onde alternate di bassa pressione e alta pressione nei liquidi generano piccole bolle di vuoto. I piccoli vuoti del vuoto crescono su vari cicli di bassa pressione / alta pressione fino a quando implode violentemente. Le bolle di vuoto collassanti possono essere considerate come microreattori in cui temperature fino a 5000 K, pressioni fino a 1000 atm e tassi di riscaldamento e raffreddamento superiori a 10-10 si verificano. Inoltre, vengono generate forti forze di taglio idrodinamiche e getti liquidi con velocità fino a 280 m / s. Queste condizioni estreme di cavitazione acustica creano straordinarie condizioni fisiche e chimiche in liquidi altrimenti freddi e creano un ambiente favorevole alle reazioni chimiche (Sonochimica).
Processore ad ultrasuoni 48kW
per applicazioni impegnative come la lisciviazione dei metalli
Lisciviazione a ultrasuoni di metalli da scarichi esausti di batterie.
Il grande vantaggio della lisciviazione ultrasonica e del recupero del metallo è il controllo preciso dei parametri di processo come l'ampiezza, la pressione e la temperatura. Questi parametri consentono di regolare le condizioni di reazione esattamente al mezzo di processo e all'uscita mirata. Inoltre, la lisciviazione ultrasonica rimuove anche le particelle metalliche più piccole dal substrato, preservando al contempo le microstrutture. Il recupero avanzato del metallo è dovuto alla creazione ultrasonica di superfici altamente reattive, all'aumentata velocità di reazione e al miglioramento del trasporto di massa. I processi di sonicazione possono essere ottimizzati influenzando ciascun parametro e quindi non solo sono molto efficaci ma anche altamente efficienti dal punto di vista energetico.
Il suo preciso controllo dei parametri e l'efficienza energetica rendono la lisciviazione ultrasonica la tecnica favorevole ed eccellente – soprattutto se confrontato con complicate tecniche di lisciviazione e chelazione degli acidi.
Recupero ultrasonico di LiCoO2 da batterie agli ioni di litio esauste
L'ultrasuoni aiuta la lisciviazione riduttiva e la precipitazione chimica, che sono usati per recuperare Li come Li2co3 e Co come Co (OH)2 dalle batterie agli ioni di litio esauste.
Zhang et al. (2014) riportano il successo del recupero di LiCoO2 utilizzando un reattore ad ultrasuoni. per preparare la soluzione iniziale di 600 ml, hanno posizionato 10 g di LiCoO non valido2 polvere in un becher e aggiunto 2,0 ml / L di soluzione di LiOH, che sono stati miscelati.
La miscela fu versata nell'irradiazione ultrasonica e il dispositivo di agitazione fu avviato, il dispositivo di agitazione fu posto all'interno del contenitore di reazione. E 'stato riscaldato a 120 ° C, e poi il dispositivo ad ultrasuoni era impostato su 800 W e la modalità di azione ad ultrasuoni era impostata su cicli di lavoro a impulsi di 5 sec. ON / 2 sec. OFF. L'irradiazione ultrasonica è stata applicata per 6 ore e quindi la miscela di reazione è stata raffreddata a temperatura ambiente. Il residuo solido è stato lavato più volte con acqua deionizzata ed essiccato a 80 ° C fino a peso costante. Il campione ottenuto è stato raccolto per i test successivi e la produzione della batteria. La capacità di carica nel primo ciclo è 134,2 mAh / ge la capacità di scarica è 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)
Cristalli LiCoO2 usati prima (a) e dopo (b) trattamento a ultrasuoni a 120 ° C per 6 ore. fonte: Zhang et al. 2014
La lisciviazione ultrasonica con acidi organici come l'acido citrico non è solo efficace, ma anche rispettosa dell'ambiente. La ricerca ha scoperto che la lisciviazione di Co e Li è più efficiente con l'acido citrico rispetto agli acidi inorganici H2COSÌ4 e HCl. Più del 96% di Co e quasi il 100% di Li sono stati recuperati da batterie esauste agli ioni di litio. Il fatto che gli acidi organici come l'acido citrico e l'acido acetico siano poco costosi e biodegradabili, contribuisce a ulteriori vantaggi economici e ambientali della sonicazione.
Ultrasuoni industriali ad alta potenza
Hielscher Ultrasonics è il vostro fornitore di lunga esperienza per sistemi ultrasonici altamente efficienti e affidabili, che forniscono la potenza necessaria per lisciviare i metalli dai materiali di scarto. Al fine di rielaborare le batterie agli ioni di litio estraendo metalli come cobalto, litio, nichel e manganese, sono essenziali sistemi ultrasonici potenti e robusti. Hielscher Ultrasonics’ unità industriali come la UIP4000hdT (4 kW), UIP10000 (10kW) e UIP16000 (16kW) sono i più potenti e robusti sistemi ad ultrasuoni ad alte prestazioni sul mercato. Tutte le nostre unità industriali possono funzionare continuamente con ampiezze molto elevate fino a 200μm in funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora più elevate, sono disponibili sonotrodi ultrasonici personalizzati. La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni di Hielscher consente il funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in ambienti gravosi e in ambienti difficili. Hielscher fornisce sonotrodi e reattori speciali anche per alte temperature, pressioni e liquidi corrosivi. Ciò rende i nostri ultrasuoni industriali i più adatti per le tecniche di metallurgia estrattiva, ad esempio i trattamenti idrometallurgici.
La seguente tabella fornisce un'indicazione della capacità di elaborazione approssimativa dei nostri ultrasonicators:
| 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 |
Letteratura/riferimenti
- Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): recupero di litio e cobalto da batterie esauste agli ioni di litio utilizzando acidi organici: ottimizzazione dei processi e aspetti cinetici. Gestione dei rifiuti 64, 2017 244-254.
- Shin S.-M .; Lee D.-W .; Wang J.-P. (2018): Fabbricazione di polvere nano-nichelizzata di LiNiO2 dalla batteria agli ioni di litio spesa. Metalli 8, 2018.
- Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Ristrutturazione idrotermale assistita da Ultrasuoni di LiCoO2 dal catodo delle batterie agli ioni di litio spesi. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
- Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Recupero del materiale di ossido di cobalto di litio dal catodo delle batterie agli ioni di litio esauste. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.
Particolarità / Cose da sapere
Batterie agli ioni di litio
Le batterie agli ioni di litio (LIB) sono le terme collettive per batterie (ricaricabili) che offrono un'alta densità di energia e sono frequentemente integrate nell'elettronica di consumo come auto elettroniche, auto ibride, computer portatili, telefoni cellulari, iPod, ecc. In confronto a altre varianti di batterie ricaricabili con dimensioni e capacità simili, le LIB sono significativamente più leggere.
A differenza della batteria primaria al litio usa e getta, un LIB usa come standard il composto di litio intercalato al posto del litio metallico. I principali costituenti di una batteria agli ioni di litio sono i suoi elettrodi – anodo e catodo – e l'elettrolito.
La maggior parte delle cellule condivide componenti comuni in termini di elettrolita, separatore, lamine e involucro. La principale differenza tra le tecnologie cellulari è il materiale utilizzato come “materiali attivi” come catodo e anodo. La grafite è il materiale più utilizzato come anodo, mentre il catodo è fatto di LiMO2 stratificato (M = Mn, Co e Ni), spinello LiMn2O4o olivina LiFePO4. Gli elettroliti organici elettroliti liquidi (ad esempio, sale LiPF6 disciolto in una miscela di solventi organici, come etilene carbonato (EC), dimetil carbonato (DMC), dietil carbonato (DEC), etil metil carbonato (EMC), ecc.) Consente movimento ionico.
A seconda dei materiali dell'elettrodo positivo (catodo) e negativo (anodo), la densità di energia e la tensione delle LIB variano rispettivamente.
Se utilizzato in veicoli elettrici, viene utilizzata spesso la batteria del veicolo elettrico (EVB) o la batteria di trazione. Tali batterie di trazione sono utilizzate in carrelli elevatori, carrelli da golf elettrici, lavasciuga pavimenti, motocicli elettrici, auto elettriche, camion, furgoni e altri veicoli elettrici.
Riciclaggio di metallo da batterie Li-Ion esauste
Rispetto ad altri tipi di batterie che spesso contengono piombo o cadmio, le batterie agli ioni di litio contengono metalli meno tossici e sono quindi considerate ecologiche. Tuttavia, la grande quantità di batterie agli ioni di litio esaurite, che dovranno essere smaltite come batterie esaurite dalle auto elettriche, presentano un problema di sprechi. 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 anche prevenire una futura mancanza.
Sebbene le batterie con carichi di nichel più elevati entrino nel mercato, non è possibile produrre batterie senza cobalto. Il contenuto di nichel più alto ha un costo: con un aumento del contenuto di nichel, la stabilità della batteria è diminuita e quindi la sua durata del ciclo e la capacità di ricarica rapida sono ridotti.
La crescente domanda di batterie agli ioni di litio richiede un aumento delle capacità di riciclaggio delle batterie usate.
Processo di riciclaggio
Le batterie di veicoli elettrici come la Tesla Roadster hanno una durata approssimativa di 10 anni.
Il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio esauste è un processo impegnativo poiché sono coinvolte sostanze chimiche pericolose e ad alto voltaggio, che comportano rischi di instabilità termica, scosse elettriche e emissioni di sostanze pericolose.
Per stabilire un riciclaggio a ciclo chiuso, ogni legame chimico e tutti gli elementi devono essere separati nelle loro singole frazioni. Tuttavia, l'energia necessaria per un tale riciclaggio a circuito chiuso è molto costosa. I materiali più preziosi per il recupero sono metalli come Ni, Co, Cu, Li, ecc. Poiché le costose attività minerarie e gli alti prezzi di mercato dei componenti metallici rendono il riciclo economicamente interessante.
Il processo di riciclaggio delle batterie agli ioni di litio inizia con lo smantellamento e lo scarico delle batterie. Prima di aprire la batteria, è necessaria una passivazione per disattivare le sostanze chimiche 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 smantellamento e la frantumazione, i componenti vengono isolati con diversi metodi (ad es. Screening, setacciatura, selezione manuale, separazione magnetica, umida e balistica) al fine di rimuovere dalla polvere dell'elettrodo i rivestimenti cellulari, l'alluminio, il rame e la plastica. 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 sminuzzate vengono fuse in un forno in cui viene aggiunto calcare come agente formante scorie.
Processi idrotermali
Il processo idrometallurgico si basa sulle reazioni acide per precipitare i sali come metalli. I tipici processi idrometallurgici includono lisciviazione, precipitazione, scambio ionico, estrazione con solvente ed elettrolisi di soluzioni acquose.
Il vantaggio della lavorazione idrotermale è l'elevata resa 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%.
Soprattutto il cobalto è un componente fondamentale nei catodi a batteria agli ioni di litio per applicazioni ad alta energia e potenza.
Le attuali auto ibride come la Toyota Prius utilizzano batterie al nickel metal idruro, che vengono smontate, scaricate e riciclate in modo simile alle batterie agli ioni di litio.
Potente sonicazione dal laboratorio e da banco alla produzione industriale.