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るリチウムイオン電池は、今や大衆市場に登場しつつあり、それに伴い、リサイクル能力を開発する必要があります。
• 超音波浸出は、使用済みリチウムイオン電池からLi、Mg、Co、Niなどの金属を回収するための効率的で環境に優しい技術です。
• 浸出アプリケーション用のヒールシャー工業用超音波システムは、信頼性と堅牢性があり、既存のリサイクルプラントに簡単に統合できます。

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)、ラップトップ、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の主要なコスト要因であり、その廃棄にも費用がかかります。環境的および経済的側面は、バッテリー廃棄物に貴重な材料が含まれており、リチウムイオン電池の製造における二酸化炭素排出量を削減するのに役立つため、クローズドリサイクルループを推進しています。
リチウムイオン電池のリサイクルは、希土類金属やその他の電池部品の将来の利用可能性を確保し、鉱業の環境コストを削減するために、繁栄する産業部門に成長しています。

乾式製錬および湿式製錬のリサイクルと超音波バッテリーのリサイクル

以下では、従来の乾式製錬および湿式製錬プロセスの方法と超音波浸出技術を比較し、長所と短所を比較します。

従来のバッテリーリサイクルの欠点

リチウムイオン電池のリサイクルに使用される従来の方法には、乾式製錬および湿式製錬プロセスが含まれます。
 
乾式製錬法 製錬や焼却などの高温プロセスが含まれます。バッテリーは極端な熱にさらされるため、有機成分が燃焼し、残りの金属部品は溶融して分離されます。ただし、これらの方法にはいくつかの欠点があります。

• 環境への影響: 乾式製錬プロセスは、有害な排出物や汚染物質を大気中に放出し、大気汚染の一因となり、健康被害を引き起こす可能性があります。
• 材料の損失: 高温プロセスでは、熱劣化により貴重な材料や金属が失われ、全体的な回収率が低下する可能性があります。
• エネルギー集約型: これらの方法は通常、大量のエネルギー投入を必要とするため、運用コストと環境フットプリントが増加します。

 
湿式製錬法 バッテリー部品を溶解し、貴重な金属を抽出するために、化学的浸出を伴います。湿式製錬法よりも環境に優しいですが、湿式製錬には独自の欠点があります。

• 化学薬品の使用法: 浸出には強酸やその他の腐食性化学物質が必要であり、化学物質の取り扱い、廃棄物管理、および潜在的な環境汚染に関する懸念が生じます。
• 選択性の課題: 目的の金属の選択的浸出を達成することは困難であり、回収率の低下と貴重な資源の損失につながる可能性があります。

 

従来の技術に対する超音波電池浸出の利点

乾式製錬と湿式製錬の両方のリサイクル技術と比較すると、超音波電池のリサイクル技術は、さまざまな利点により競争を上回っています。

1. 効率の向上: 超音波処理は、電池材料の分解を加速し、その結果、処理時間が短縮され、全体的な効率が向上します。
2. 回復率の向上: 超音波キャビテーションの制御された適用は、バッテリー部品の破壊を促進し、貴重な金属の回収率を高めます。
3. グリーン： 超音波リサイクルは、高温や刺激の強い化学物質への依存を減らし、環境への影響を最小限に抑え、汚染物質の排出を削減します。
4. 選択的浸出: 超音波の制御されたアプリケーションにより、バッテリー内の特定のコンポーネントを的を絞った破壊が可能になり、それらを効率的に分離できます。異なるリサイクル可能な電池化合物が特定の超音波強度で溶解して除去されるため、最適化された処理パラメータにより、個々の材料の選択的な浸出が可能になります。これにより、貴重な金属と材料の効率的な分離が容易になります。
5. エネルギー消費量の削減: 湿式製錬、特に乾式製錬法の両方と比較して、超音波リサイクルは一般的にエネルギー効率が高く、運用コストの削減と二酸化炭素排出量の削減につながります。
6. スケーラビリティと柔軟性: 超音波システムは、さまざまなバッテリーサイズと生産能力に対応するために、簡単にスケールアップまたはスケールダウンできます。さらに、バッテリーリサイクル用の超音波装置は、既存のバッテリーリサイクル施設に容易に統合できます。超音波プローブやフローセル反応器などのさまざまな電力スケールと適合するアクセサリで容易に利用できる超音波処理器は、さまざまなサイズと生産能力のバッテリーコンポーネントを処理でき、リサイクルプロセスにおけるスケーラビリティと適応性を提供します。
7. シナジー統合: 超音波浸出は、使用済みリチウムイオン電池からの貴重な金属および材料の湿式製錬浸出を強化し改善するために、既存の湿式製錬電池リサイクルラインに統合することができます。

全体として、超音波電池のリサイクルは、従来の乾式および湿式製錬のアプローチと比較して、より環境に優しく、効率的で、選択的な方法として有望であることを示しています。

 

使用済み電池からの金属回収のための工業用超音波浸出

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)のリサイクルプロセス、ならびに複雑なリチウム - ニッケル - マンガン - コバルト電池(例えば、電気自動車から)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やスラリーを処理する能力でよく知られています。
パワー超音波の強烈な効果は、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り、液体中の低圧波と高圧波が交互に発生し、小さな真空気泡が生成されます。小さな真空ボイドは、さまざまな低圧/高圧サイクルで成長し、激しく爆縮します。崩壊する真空気泡は、最大5000Kの温度、最大1000atmの圧力、および10を超える加熱および冷却速度のマイクロリアクターと見なすことができます^-10 起る。さらに、強力な流体力学的せん断力と最大280m/sの速度の液体ジェットが生成されます。音響キャビテーションのこれらの極端な条件は、そうでなければ冷たい液体に異常な物理的および化学的条件を作り出し、化学反応(いわゆる ソノケミストリー).

超音波で生成されたキャビテーションは、溶質の熱分解を誘発するだけでなく、フリーラジカル、水酸化物イオン(•OH、)、ヒドロニウム(H)などの反応性の高いラジカルおよび試薬の形成を誘発することができます₃O+)など、液体中での異常な反応性条件を提供し、反応速度が大幅に向上します。粒子などの固体は、液体ジェットによって加速され、種間衝突と摩耗によって粉砕され、活性表面積が増加し、それによって物質移動が増加します。
超音波浸出と金属回収の大きな利点は、振幅、圧力、温度などのプロセスパラメータを正確に制御できることです。これらのパラメータにより、反応条件をプロセス媒体と目標とする出力に正確に調整することができます。さらに、超音波浸出は、微細構造を維持しながら、基板から最小の金属粒子さえも除去します。金属回収率の向上は、反応性の高い表面の超音波生成、反応速度の増加、および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ることによっ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、非常にエネルギー効率も高いです。
その正確なパラメータ制御とエネルギー効率により、超音波浸出は有利で優れた技術になります – 特に、複雑な酸浸出およびキレート化技術と比較した場合。

LiCoOの超音波回収₂ 使用済みリチウムイオン電池から

超音波処理は、還元的浸出と化学沈殿を助け、これらはLiをLiとして回収するために使用されます₂共₃ CoをCo(OH)として₂ 廃リチウムイオン電池から。
Zhang et al. (2014) は、LiCoOの回収に成功したことを報告しています₂ 超音波反応器を使用する。600mLの出発溶液を調製するために、彼らは10gの無効なLiCoOを入れました₂ ビーカーに粉末を入れ、2.0mol/LのLiOH溶液を加えて混合した。
混合物を超音波照射に注ぎ込み、攪拌装置を始動させ、攪拌装置を反応容器の内部に配置した。120°Cに加熱し、その後、 超音波装置 は800Wに設定され、超音波の動作モードは5秒オン/2秒オフのパルスデューティサイクルに設定されました。超音波照射を6時間加え、その後、反応混合物を室温まで冷却した。固形残留物を脱イオン水で数回洗浄し、一定の重量になるまで80°Cで乾燥させた。得られたサンプルは、その後の試験とバッテリー製造のために収集されました。最初のサイクルの充電容量は134.2mAh / gで、放電容量は133.5mAh / gです。初回充放電効率は99.5%でした。40サイクル後も、放電容量は132.9mAh/gです(Zhang et al. 2014)。
 

 
クエン酸などの有機酸による超音波浸出は、効果的であるだけでなく、環境にも優しいです。研究によると、CoとLiの浸出は、無機酸のH2SO4とHClよりもクエン酸の方が効率的です。使用済みリチウムイオン電池から96%以上のCoとほぼ100%のLiが回収されました。クエン酸や酢酸などの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貢献します。

使用済み電池からの金属浸出用の高出力産業用超音波

ヒールシャー超音波は、廃棄物から金属を浸出するために必要な電力を供給する、高効率で信頼性の高い超音波システムのためのあなたの長年の経験豊か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ためには、強力で堅牢な超音波システムが不可欠です。UIP4000hdT(4kW)、UIP6000hdT(6kW)、UIP10000(10kW)、およびUIP16000(16kW)などのヒールシャー超音波産業用ユニットは、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用ユニットは、24/7操作で最大200μmの非常に高い振幅で連続的に実行できます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。ヒールシャー超音波装置の堅牢性は、ヘビーデューティで、要求の厳しい環境での24 / 7操作を可能にします。ヒールシャーは、高温、圧力、腐食性液体用の特別なソノトロードと反応器も提供しています。これにより、当社の工業用超音波装置は、抽出冶金技術、例えば湿式製錬処理に最も適しています。

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。

---

---

文献/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.