ულტრაბგერა ლითიუმ-იონური ბატარეების რეციკლირებისთვის

• ელექტრომობილებში გამოყენებული ლითიუმ-იონური ბატარეები მხოლოდ ახლა შემოდის მასობრივ ბაზარზე და ამასთან ერთად, აუცილებელია რეციკლირების სიმძლავრეების განვითარება.
• ულტრაბგერითი გამოტანა არის ეფექტური, ეკოლოგიურად სუფთა ტექნიკა ლითიუმის, მაგნიუმის, კობალტის, ნიკელის და სხვა მეტალების აღდგენისთვის გამოყენებული ლითიუმ-იონური ბატარეებიდან.
• Hielscher-ის სამრეწველო ულტრაბგერითი სისტემები გამოტანისთვის არის საიმედო და მდგრადი და მათი ინტეგრაცია არსებულ რეციკლირების ქარხნებში მარტივად შესაძლებელია.

ლითიუმ-იონური ბატარეების რეციკლირება

ლითიუმ-იონური ბატარეები ფართოდ გამოიყენება ელექტრომობილებში (EV), ნოუთბუქებსა და მობილურ ტელეფონებში. ეს ნიშნავს, რომ გამოყენებული ლითიუმ-იონური ბატარეები დღესდღეობით გამოწვევაა ნარჩენების მართვისა და რეციკლირების თვალსაზრისით. ბატარეები წარმოადგენენ EV-ების მთავარ ხარჯის ფაქტორს და მათი უტილიზაციაც ძვირია. ეკოლოგიური და ეკონომიკური ასპექტები მოითხოვს რეციკლირების დახურულ ციკლს, რადგან ბატარეების ნარჩენები შეიცავს ღირებულ მასალებს და ხელს უწყობს ლითიუმ-იონური ბატარეების წარმოების ნახშირბადის კვალის შემცირებას.
ლითიუმ-იონური ბატარეების რეციკლირება იზრდება და ვითარდება აყვავებულ ინდუსტრიულ სექტორად, რათა უზრუნველყოფილ იქნას იშვიათმიწის მეტალებისა და სხვა ბატარეის კომპონენტების მომავალი ხელმისაწვდომობა და შემცირდეს სამთო მოპოვების ეკოლოგიური ხარჯები.

პირომეტალურგიული და ჰიდრომეტალურგიული რეციკლირება vs ულტრაბგერითი ბატარეების რეციკლირება

ქვემოთ, ჩვენ ვადარებთ პირომეტალურგიული და ჰიდრომეტალურგიული პროცესების ტრადიციულ მეთოდებს ულტრაბგერითი გამოტანის ტექნიკასთან უპირატესობებისა და ნაკლოვანებების თვალსაზრისით.

ტრადიციული ბატარეების რეციკლირების ნაკლოვანებები

ლითიუმ-იონური ბატარეების რეციკლირებისთვის გამოყენებული ტრადიციული მეთოდები მოიცავს პირომეტალურგიულ და ჰიდრომეტალურგიულ პროცესებს.
 
პირომეტალურგიული მეთოდები მოიცავს მაღალტემპერატურულ პროცესებს, როგორიცაა დნობა ან დაწვა. ბატარეები ექვემდებარება ექსტრემალურ სიცხეს, რის შედეგადაც ორგანული კომპონენტები იწვის, ხოლო დარჩენილი მეტალური კომპონენტები იდნება და გამოიყოფა. თუმცა, ამ მეთოდებს აქვთ რამდენიმე ნაკლოვანება:

• ეკოლოგიური გავლენა: პირომეტალურგიული პროცესები გამოყოფენ საზიანო გამონაბოლქვებსა და მავნე ნივთიერებებს ატმოსფეროში, რაც ზრდის ჰაერის დაბინძურებას და პოტენციურად საფრთხეს უქმნის ჯანმრთელობას.
• მასალების დაკარგვა: მაღალტემპერატურული პროცესები შეიძლება გამოიწვიოს ღირებული მასალებისა და მეტალების დაკარგვა თერმული დეგრადაციის შედეგად, რაც ამცირებს ჯამურ აღდგენის მაჩვენებელს.
• ენერგოტევადობა: ეს მეთოდები, როგორც წესი, მოითხოვენ მნიშვნელოვან ენერგეტიკულ რესურსს, რაც ზრდის საოპერაციო ხარჯებს და ეკოლოგიურ კვალს.

 
ჰიდრომეტალურგიული მეთოდები მოიცავს ქიმიურ გამოტანას ბატარეის კომპონენტების გასახსნელად და ღირებული მეტალების ამოსაღებად. მიუხედავად იმისა, რომ ისინი უფრო ეკოლოგიურად სუფთაა ვიდრე პირომეტალურგიული მეთოდები, ჰიდრომეტალურგიას აქვს საკუთარი ნაკლოვანებები:

• ქიმიური ნივთიერებების გამოყენება: გამოტანისთვის საჭიროა ძლიერი მჟავები ან სხვა კოროზიული ქიმიური ნივთიერებები, რაც იწვევს შეშფოთებას ქიმიური ნივთიერებების მართვის, ნარჩენების მართვისა და პოტენციური ეკოლოგიური დაბინძურების თვალსაზრისით.
• სელექტიულობის გამოწვევები: სასურველი მეტალების სელექციური გამოტანის მიღწევა შეიძლება იყოს რთული, რაც იწვევს აღდგენის მაჩვენებლების შემცირებას და ღირებული რესურსების პოტენციურ დაკარგვას.

 

ულტრაბგერითი ბატარეების გამოტანის უპირატესობები ტრადიციულ ტექნიკებთან შედარებით

როდესაც ვადარებთ როგორც პირომეტალურგიულ, ისე ჰიდრომეტალურგიულ რეციკლირების ტექნიკებს, ულტრაბგერითი ბატარეების რეციკლირების ტექნიკა იმარჯვებს სხვადასხვა უპირატესობის გამო:

1. გაუმჯობესებული ეფექტურობა: ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება გააჩქაროს ბატარეის მასალების დაშლა, რაც იწვევს უფრო მოკლე დამუშავების დროს და უფრო მაღალ ჯამურ ეფექტურობას.
2. გაუმჯობესებული აღდგენის მაჩვენებლები: ულტრაბგერითი კავიტაციის კონტროლირებადი გამოყენება აუმჯობესებს ბატარეის კომპონენტების დაშლას, ზრდის ღირებული მეტალების აღდგენის მაჩვენებლებს.
3. ეკოლოგიურად სუფთა: ულტრაბგერითი რეციკლირება ამცირებს დამოკიდებულებას მაღალ ტემპერატურებზე და მკაცრ ქიმიურ ნივთიერებებზე, ამცირებს ეკოლოგიურ გავლენას და მავნე ნივთიერებების გამონაბოლქვს.
4. სელექციური გამოტანა: ულტრაბგერის კონტროლირებადი გამოყენება საშუალებას იძლევა, ბატარეის კონკრეტული კომპონენტები მიზნობრივად დაინგრეს და ეფექტურად გამოიყოს. ვინაიდან სხვადასხვა გადასამუშავებელი ბატარეის კომპონენტები სპეციფიკური ულტრაბგერითი ინტენსივობის პირობებში იხსნება და გამოიყოფა, ოპტიმიზებული დამუშავების პარამეტრები საშუალებას იძლევა, ინდივიდუალური მასალების სელექციური ლეჩინგი განხორციელდეს. ეს ხელს უწყობს ღირებული ლითონებისა და მასალების ეფექტურ გამოყოფას.
5. ენერგომოხმარების შემცირება: როგორც ჰიდრომეტალურგიულ, ისე განსაკუთრებით პირომეტალურგიულ მეთოდებთან შედარებით, ულტრაბგერითი რეციკლირება, როგორც წესი, უფრო ენერგოეფექტურია, რაც იწვევს საოპერაციო ხარჯების შემცირებას და ნახშირბადის კვალის გაუმჯობესებას.
6. მასშტაბირებადობა და მოქნილობა: ულტრაბგერითი სისტემები მარტივად მასშტაბირდება ზემოთ ან ქვემოთ, სხვადასხვა ზომის ბატარეებისა და წარმოების სიმძლავრეებისთვის. გარდა ამისა, ბატარეების რეციკლირებისთვის განკუთვნილი ულტრაბგერითი სისტემები მარტივად ინტეგრირდება უკვე არსებულ ბატარეების რეციკლირების ობიექტებში. სხვადასხვა სიმძლავრის დიაპაზონში და შესაბამისი აქსესუარებით, როგორიცაა ულტრაბგერითი პრობები და ნაკადის კამერული რეაქტორები, ხელმისაწვდომი ულტრაბგერითი სისტემები მუშაობენ სხვადასხვა ზომის ბატარეის კომპონენტებზე და წარმოების სხვადასხვა სიმძლავრეზე, რაც უზრუნველყოფს მასშტაბირებადობასა და ადაპტირებადობას რეციკლირების პროცესებში.
7. სინერგიული ინტეგრაცია: ულტრაბგერითი ლეჩინგი შეიძლება ინტეგრირდეს არსებულ ჰიდრომეტალურგიულ ბატარეების რეციკლირების ხაზებში, რათა გაძლიერდეს და გაუმჯობესდეს ღირებული ლითონებისა და მასალების ჰიდრომეტალურგიული ლეჩინგი გამოყენებული Li-იონური ბატარეებიდან.

საერთო ჯამში, ულტრაბგერითი ბატარეების რეციკლირება პერსპექტიულია, როგორც უფრო ეკოლოგიურად სუფთა, ეფექტური და სელექციური მეთოდი ტრადიციულ პირომეტალურგიულ და ჰიდრომეტალურგიულ მიდგომებთან შედარებით.

 

სამრეწველო ულტრაბგერითი ლეჩინგი ლითონების აღდგენისთვის გამოყენებული ბატარეებიდან

ულტრაბგერითი ლეჩინგი და ლითონების ექსტრაქცია შეიძლება გამოყენებულ იქნას ლითიუმ-კობალტის ოქსიდის ბატარეების (მაგ. ლეპტოპებიდან, სმარტფონებიდან და ა.შ.) ასევე რთული ლითიუმ-ნიკელ-მანგანუმ-კობალტის ბატარეების (მაგ. ელექტრომობილებიდან) რეციკლირების პროცესებში.
მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა ცნობილია ქიმიური სითხეებისა და სუსპენზიების დამუშავების შესაძლებლობით, რათა გაუმჯობესდეს მასათა გადაცემა და დაიწყოს ქიმიური რეაქციები.
მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი დამუშავების ინტენსიური ეფექტები ეფუძნება აკუსტიკური კავიტაციის ფენომენს. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის სითხეებში / სუსპენზიებში შეყვანისას, სითხეებში დაბალი წნევისა და მაღალი წნევის ალტერნირებადი ტალღები ქმნიან მცირე ვაკუუმის ბუშტუკებს. მცირე ვაკუუმის სიცარიელეები იზრდება სხვადასხვა დაბალი წნევის / მაღალი წნევის ციკლების განმავლობაში, სანამ ისინი ძლიერად არ ჩაინგრევიან. ჩამოქცეული ვაკუუმის ბუშტუკები შეიძლება განხილულ იქნას როგორც მიკრორეაქტორები, სადაც ტემპერატურა აღწევს 5000K-ს, წნევა 1000atm-ს, და გათბობა-გაცივების სიჩქარე აღემატება 10^-10 -10-ს. გარდა ამისა, გენერირდება ძლიერი ჰიდროდინამიკური ძვრის ძალები და სითხის ჯგები, რომელთა სიჩქარე აღწევს 280m/s-ს. აკუსტიკური კავიტაციის ეს ექსტრემალური პირობები ქმნის ექსტრაორდინალურ ფიზიკურ და ქიმიურ პირობებს სხვაგვარად ცივ სითხეებში და ქმნის სასარგებლო გარემოს ქიმიური რეაქციებისთვის (ე.წ. სონოქიმია).

ულტრაბგერითად გენერირებულმა კავიტაციამ შეიძლება გამოიწვიოს გახსნილი ნივთიერებების თერმოლიზი, ასევე მაღალრეაქციული რადიკალებისა და რეაგენტების წარმოქმნა, როგორიცაა თავისუფალი რადიკალები, ჰიდროქსიდის იონები (•OH,) ჰიდრონიუმის იონები (H₃O+) და ა.შ., რაც ქმნის უნიკალურ რეაქციულ პირობებს სითხეში, რის შედეგადაც რეაქციის სიჩქარე მნიშვნელოვნად იზრდება. მყარი ნივთიერებები, როგორიცაა ნაწილაკები, აჩქარდება სითხის ნაკადების მიერ და ფქვილდება ნაწილაკთაშორისი შეჯახებისა და აბრაზიის შედეგად, რაც ზრდის აქტიურ ზედაპირულ ფართობს და შესაბამისად, მასათა გადატანას.
ულტრაბგერითი ლეჩინგისა და ლითონების აღდგენის მთავარი უპირატესობაა პროცესის პარამეტრების, როგორიცაა ამპლიტუდა, წნევა და ტემპერატურა, ზუსტი კონტროლი. ეს პარამეტრები საშუალებას იძლევა, რეაქციის პირობები ზუსტად შეესაბამებოდეს პროცესის გარემოსა და მიზნობრივ შედეგს. გარდა ამისა, ულტრაბგერითი ლეჩინგი აშორებს სუბსტრატიდან უმცირეს ლითონის ნაწილაკებსაც კი, მიკროსტრუქტურების შენარჩუნებით. ლითონების აღდგენის გაუმჯობესება განპირობებულია ულტრაბგერითი მაღალრეაქციული ზედაპირების შექმნით, რეაქციის სიჩქარის ზრდითა და მასათა გადატანის გაუმჯობესებით. ულტრაბგერითი დამუშავების პროცესები ოპტიმიზირდება თითოეული პარამეტრის გავლენით და ამიტომ ისინი არა მხოლოდ ძალიან ეფექტურია, არამედ მაღალ ენერგოეფექტურიც.
მისი ზუსტი პარამეტრული კონტროლი და ენერგოეფექტურობა ულტრაბგერით ლეჩინგს ხდის ხელსაყრელ და წამყვან ტექნიკად – განსაკუთრებით რთული მჟავით ლეჩინგისა და ქელატირების ტექნიკებთან შედარებით.

LiCoO₂ -ის ულტრაბგერითი აღდგენა გამოყენებული ლითიუმ-იონური აკუმულატორებიდან

ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს რედუქციულ ლეჩინგსა და ქიმიურ დალექვას, რომლებიც გამოიყენება Li-ს აღდგენისთვის Li₂CO₃ -ის სახით და Co-ს აღდგენისთვის Co(OH)₂ -ის სახით გამოყენებული ლითიუმ-იონური აკუმულატორებიდან.
Zhang et al. (2014) იუწყებიან LiCoO₂ -ის წარმატებული აღდგენის შესახებ ულტრაბგერითი რეაქტორის გამოყენებით. 600mL საწყისი ხსნარის მოსამზადებლად, მათ ჭიქაში მოათავსეს 10g გამოუსადეგარი LiCoO₂ -ის ფხვნილი და დაამატეს 2,0mol/L LiOH-ის ხსნარი, რომლებიც აურიეს.
ნარევი გადაიტანეს ულტრაბგერითი გამოსხივებაში და ჩაირთო არევა, რევის მოწყობილობა განთავსდა რეაქციის ჭურჭლის შიგნით. ის გახურდა 120◦C-მდე, შემდეგ კი ულტრაბგერითი მოწყობილობა დააყენეს 800W-ზე და ულტრაბგერითი მოქმედების რეჟიმი დააყენეს 5 წმ. ჩართვა / 2 წმ. გამორთვის პულსირებულ ციკლებზე. ულტრაბგერითი გამოსხივება გამოიყენებოდა 6h-ის განმავლობაში, შემდეგ რეაქციული ნარევი გაცივდა ოთახის ტემპერატურამდე. მყარი ნაშთი რამდენჯერმე გაირეცხა დეიონიზებული წყლით და გაშრა 80◦C-ზე მუდმივი წონის მიღწევამდე. მიღებული ნიმუში შეგროვდა შემდგომი ტესტირებისა და აკუმულატორების წარმოებისთვის. პირველი ციკლის დამუხტვის ტევადობაა 134,2mAh/g, ხოლო განმუხტვის ტევადობა – 133,5mAh/g. პირველადი დამუხტვისა და განმუხტვის ეფექტურობა იყო 99,5%. 40 ციკლის შემდეგ, განმუხტვის ტევადობა მაინც 132,9mAh/g-ია. (Zhang et al. 2014)

ულტრაბგერითი ლიქვაცია ორგანული მჟავებით, როგორიცაა ლიმონმჟავა, არა მხოლოდ ეფექტურია, არამედ ეკოლოგიურად სუფთა. კვლევამ აჩვენა, რომ Co-სა და Li-ს ლიქვაცია ლიმონმჟავით უფრო ეფექტურია, ვიდრე არაორგანული მჟავებით H2SO4 და HCl. გამოყენებული ლითიუმ-იონური აკუმულატორებიდან აღდგა 96%-ზე მეტი Co და თითქმის 100% Li. ფაქტი, რომ ორგანული მჟავები, როგორიცაა ლიმონმჟავა და ძმარმჟავა, იაფი და ბიოდეგრადირებადია, ულტრაბგერითი დამუშავების დამატებით ეკონომიკურ და ეკოლოგიურ უპირატესობებს უწყობს ხელს.

მაღალი სიმძლავრის სამრეწველო ულტრაბგერა ლითონების ლიქვაციისთვის გამოყენებული აკუმულატორებიდან

Hielscher Ultrasonics არის თქვენი ხანგრძლივი გამოცდილების მქონე მომწოდებელი მაღალეფექტური და საიმედო ულტრაბგერითი სისტემებისთვის, რომლებიც უზრუნველყოფენ საჭირო სიმძლავრეს ლითონების ამოსაღებად ნარჩენი მასალებიდან. იმისათვის, რომ ხელახლა დამუშავდეს ლითიუმ-იონური ბატარეები კობალტის, ლითიუმის, ნიკელის და მანგანუმის მსგავსი ლითონების ამოღებით, აუცილებელია მძლავრი და მდგრადი ულტრაბგერითი სისტემები. Hielscher Ultrasonics-ის სამრეწველო აგრეგატები, როგორიცაა UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) და UIP16000 (16kW), არის ბაზარზე არსებული ყველაზე მძლავრი და მდგრადი მაღალეფექტური ულტრაბგერითი სისტემები. ჩვენი ყველა სამრეწველო აგრეგატი შეუძლია უწყვეტი მუშაობა 24/7 რეჟიმში, ძალიან მაღალი ამპლიტუდებით, მაქსიმუმ 200µm-მდე. კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია ინდივიდუალურად შექმნილი ულტრაბგერითი სონოტროდები. Hielscher-ის ულტრაბგერითი აღჭურვილობის მდგრადობა საშუალებას იძლევა 24/7 მუშაობისა მძიმე დატვირთვის და მკაცრი გარემო პირობებშიც კი. Hielscher ასევე აწვდის სპეციალურ სონოტროდებს და რეაქტორებს მაღალი ტემპერატურებისთვის, წნევებისა და კოროზიული სითხეებისთვის. ეს ჩვენს სამრეწველო ულტრაბგერით აპარატებს ყველაზე შესაფერისს ხდის ექსტრაქციული მეტალურგიის ტექნიკებისთვის, მაგ. ჰიდრომეტალურგიული დამუშავებისთვის.

ქვემოთ მოცემული ცხრილი გიჩვენებთ ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატების დაახლოებითი დამუშავების სიმძლავრის მაჩვენებლებს:

---

---

ლიტერატურა/რეფერატები

• 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.