リチウムイオン電池のリサイクルのための超音波
- 電気自動車に使われているリチウムイオン電池は今や大衆市場に来ており、リサイクル能力を開発しなければなりません。
- 超音波浸出は、使用済みのLiイオン電池からLi、Mg、Co、Niなどの金属を回収する効率的で環境に優しい技術です。
- Hielscherの浸出用工業用超音波システムは信頼性が高く、堅牢で、既存のリサイクルプラントに容易に組み込むことができます。
リチウムイオン電池のリサイクル
リチウムイオン電池は、電気自動車(EV)、ノートパソコン、携帯電話に広く使用されています。これは、使用済みリチウムイオン電池が廃棄物管理とリサイクルに関する現在の課題であることを意味します。バッテリーはEVの主要なコストドライバーであり、その処分も高価です。電池廃棄物には貴重な材料が含まれており、リチウムイオン電池の二酸化炭素排出量を削減するのに役立つため、環境的および経済的な側面は、閉鎖的なリサイクルループを推進します。
リチウムイオン電池のリサイクルは、希土類金属および他の電池部品の将来の利用可能性を保証し、鉱業の環境コストを削減するために、盛んな産業分野にまで拡大している。
産業用超音波浸出
超音波浸出および金属抽出は、リチウムコバルト酸化物電池（例えば、ラップトップ、スマートフォンなど）ならびにリチウム - ニッケル - マンガンコバルト複合電池（例えば、電気自動車）のリサイクルプロセスに適用することができる。
高出力超音波は、物質移動を改善し、化学反応を開始するために、化学液体およびスラリーを処理するその能力に関してよく知られている。
パワー超音波の強烈な影響は、音響キャビテーションの現象に基づいています。高出力超音波を液体/スラリーに結合することによって、液体中の交互の低圧および高圧の波が小さな真空気泡を生成する。小さな真空ボイドは、爆発するまで様々な低圧/高圧サイクルにわたって激しく成長する。崩壊する真空泡は、5000Kまでの温度、1000atmまでの圧力、および10℃を超える加熱および冷却速度があるマイクロリアクターと考えることができる-10 発生する。さらに、280m / sまでの速度の強い流体力学的剪断力および液体ジェットが生成される。これらの極端な音響キャビテーションの条件は、他の冷たい液体では異常な物理的および化学的条件を作り出し、化学反応にとって有益な環境を作り出します（ソノケミストリー）。
48kW超音波プロセッサ
金属の浸出などの要求の厳しい用途向け
消耗したバッテリー廃棄物からの金属の超音波浸出。
超音波浸出および金属回収の大きな利点は、振幅、圧力および温度などのプロセスパラメータに対する正確な制御である。これらのパラメータにより、反応条件をプロセス媒体および目標出力に正確に調整することが可能になる。さらに、超音波浸出は、微細構造を保存しながら、基板から最小の金属粒子までも除去する。金属の回収率の向上は、反応性の高い表面の超音波生成、反応速度の向上、物質輸送の改善によるものです。超音波処理プロセスは、各パラメータに影響を与えて最適化することができ、したがって非常に効果的であるだけでなく、エネルギー効率も高い。
その正確なパラメータ制御とエネルギー効率は、超音波浸出を有利で優れた技法にする – 特に複雑な酸浸出およびキレート化技術と比較して、
LiCoOの超音波リカバリー2 使用済みリチウムイオン電池から
超音波処理は、LiをLiとして回収するために使用される還元的浸出および化学沈殿を助ける2共同3 およびCo（OH）2 廃棄リチウムイオン電池から。
Zhang et al。 （2014年）はLiCoOの回復が成功したと報告している2 超音波反応器を使用して測定した。 600mLの出発溶液を調製するために、10gの無効なLiCoO2 粉末をビーカーに入れ、混合した2.0mol / LのLiOH溶液を添加した。
混合物を超音波照射に注ぎ、攪拌装置を起動し、攪拌装置を反応容器の内部に設置した。それを120℃に加熱し、次いで 超音波デバイス を800Wに設定し、超音波作用モードを5秒のパルスデューティサイクルに設定した。 ON / 2秒。オフ。超音波照射を6時間行った後、反応混合物を室温に冷却した。固体残渣を脱イオン水で数回洗浄し、一定重量になるまで80℃で乾燥させた。得られたサンプルをその後の試験および電池製造のために集めた。第1サイクルの充電容量は134.2mAh / gであり、放電容量は133.5mAh / gである。 1回目の充放電効率は99.5％であった。 40サイクル後、放電容量は依然として132.9mAh / gである。 （Zhang et al。2014）
120℃で6時間（a）および（b）超音波処理の前にLiCoO2結晶を使用した。出典：Zhang et al。 2014
クエン酸のような有機酸による超音波浸出は効果的であるだけでなく、環境に優しい。研究により、CoおよびLiの浸出は、無機酸Hよりもクエン酸による方が効率的であることが分かった2そう4 およびHClを含む。使用済みのリチウムイオン電池から96％以上のCoおよびほぼ100％のLiが回収された。クエン酸および酢酸のような有機酸が安価で生分解性であるという事実は、超音波処理のさらなる経済的および環境的利点に寄与する。
ハイパワー産業用超音波
Hielscher Ultrasonicsは、廃棄物から金属を浸出するのに必要な力を発揮する、高効率で信頼性の高い超音波システムの長年の経験豊富なサプライヤーです。コバルト、リチウム、ニッケル、マンガンなどの金属を抽出してリチウムイオン電池を再処理するには、強力で堅牢な超音波システムが不可欠です。ヒールシャー・ウルトラソニックス’ 産業ユニット UIP4000hdT（4キロワット）、 UIP10000（10kW） そして UIP16000（16kW） 市場で最も強力で堅牢な高性能超音波システムです。当社のすべての産業ユニットは、24/7動作で最大200μmの非常に高い振幅で連続的に動作することができます。より高い振幅に対しては、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能である。 Hielscherの超音波装置の堅牢性は、厳しい環境や要求の厳しい環境でも24時間365日の動作が可能です。 Hielscherは、高温、高圧、腐食性液体用の特別なソノトロードやリアクターも提供しています。これにより、当社の産業用超音波洗浄機は、湿式冶金処理などの抽出冶金技術に最も適しています。
下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます：
| バッチ容量 | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 00.1 20Lへ | 04L /分の0.2 | UIP2000hdT |
| 100Lへ10 | 10L /分で2 | UIP4000 |
| N.A。 | 10 100L /分 | UIP16000 |
| N.A。 | 大きな | のクラスタ UIP16000 |
知る価値のある事実
リチウムイオン電池
リチウムイオン電池（LIB）は、高エネルギー密度を提供し、電子自動車、ハイブリッド車、ラップトップ、携帯電話、iPodなどの民生用電子機器に頻繁に組み込まれる（充電式）バッテリの総称である。同様のサイズと容量の充電池の他のバリエーションでは、LIBはかなり軽量です。
使い捨てリチウム一次電池とは異なり、LIBは電極として金属リチウムの代わりにインターカレートされたリチウム化合物を使用する。リチウムイオン電池の主成分は、その電極 – アノードとカソード – 電解質とを含む。
ほとんどの電池は、電解質、セパレータ、ホイルおよびケーシングに関して共通の構成要素を共有する。セル技術の主な違いは、 “活物質” 陰極および陽極のようなものである。グラファイトは、アノードとして最も頻繁に使用される材料であり、陰極は、層状のLiMO 2（M = Mn、CoおよびNi）、スピネルLiMn2ザ・4、オリビンLiFePO4。電解質有機液体電解質（例えば、エチレンカーボネート（EC）、ジメチルカーボネート（DMC）、ジエチルカーボネート（DEC）、エチルメチルカーボネート（EMC）など）の有機溶媒の混合物に溶解したLiPF 6塩は、イオン運動。
正極（陰極）および負極（陽極）の電極材料に応じて、LIBのエネルギー密度および電圧はそれぞれ異なる。
電気自動車に使用される場合、しばしば電動車両バッテリー（EVB）またはトラクションバッテリーが使用される。このようなトラクション電池は、フォークリフト、電気ゴルフカート、床スクラバー、電気モーターサイクル、電気自動車、トラック、バン、および他の電気自動車に使用されている。
消費されたリチウムイオン電池からの金属のリサイクル
リチウムイオン電池は、鉛やカドミウムを含むことが多い他のタイプの電池と比較して、毒性の低い金属を含んでいるため、環境にやさしいと考えられています。しかし、使用済みのリチウムイオンバッテリーは、電気自動車からの使用済みバッテリーとして処分する必要があり、膨大な量の廃棄物が問題になります。したがって、Liイオン電池の閉じたリサイクルループが必要である。経済的には、鉄、銅、ニッケル、コバルト、リチウムなどの金属元素を回収し、新しい電池の製造に再利用することができます。リサイクルは将来の不足を防ぐことができます。
より高いニッケル負荷を有する電池が市場に出ているが、コバルトなしで電池を製造することは不可能である。より高いニッケル含有量は、コストがかかります：ニッケル含有量が増加すると、電池の安定性が低下し、それによってサイクル寿命が短くなり、急速充電の能力が低下する。
リチウムイオン電池の需要が高まっており、廃電池のリサイクル容量が増加しています。
リサイクルプロセス
テスラロードスターのような電気自動車のバッテリーの寿命はおよそ10年です。
熱い暴走、感電、有害物質の放出の危険性がある、高電圧および有害な化学物質が関与しているので、使い尽くされたリチウムイオン電池のリサイクルは厳しいプロセスです。
閉ループリサイクルを確立するためには、すべての化学結合とすべての要素をそれぞれの分画に分離する必要があります。しかしながら、このような閉ループリサイクルに必要なエネルギーは非常に高価である。回収に最も有益な材料は、高価な鉱業や金属部品の市場価格が高いことから経済的に魅力的なものとなるため、Ni、Co、Cu、Liなどの金属です。
リチウムイオン電池のリサイクルプロセスは、バッテリの分解と放電から始まります。バッテリを開く前に、バッテリ内の化学物質を不活性化するためにパッシベーションが必要です。不動態化は、極低温凍結または制御された酸化によって達成することができる。電池のサイズに応じて、電池を解体して電池に分解することができます。解体および粉砕後、電極ケーシングからセルケーシング、アルミニウム、銅およびプラスチックを除去するために、いくつかの方法（例えば、ふるい分け、ふるい分け、手動採取、磁気的、湿式および弾道分離）によって成分を分離する。電極材料の分離は、下流処理、例えば湿式冶金処理に必要である。
熱分解
熱分解処理のために、細断された電池は、石灰石がスラグ形成剤として添加される炉内で精錬される。
水熱プロセス
Hydrometallurgical processingは塩を金属として沈殿させるために酸反応に基づいています。典型的な湿式製錬プロセスには、浸出、沈殿、イオン交換、溶媒抽出および水溶液の電気分解が含まれる。
熱水処理の利点は、塩としてのNiおよびCoの+ 95％の高い回収率であり、Liの+ 90％が沈殿し、残りは+ 80％まで回収することができる。
特に、コバルトは、高エネルギーおよび電力用途のためのリチウムイオン電池陰極の重要な構成要素である。
トヨタのプリウスなどのハイブリッドカーは、ニッケル水素電池を使用しており、リチウムイオン電池と同様に解体、放電、リサイクルされています。
文学/参考文献
- 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.
ラボやベンチトップから工業生産に至る強力な超音波処理