ულტრაბგერითი ლითიუმის იონური ბატარეების გადამუშავებისთვის

• ელექტრომობილებში გამოყენებული ლითიუმ-იონური ბატარეები ახლახან გამოდის მასობრივ ბაზარზე და მასთან ერთად უნდა განვითარდეს გადამუშავების შესაძლებლობები.
• ულტრაბგერითი გამორეცხვა არის ეფექტური, ეკოლოგიურად სუფთა ტექნიკა დახარჯული Li-ion ბატარეებიდან ისეთი ლითონების აღდგენისთვის, როგორიცაა Li, Mg, Co, Ni და ა.შ.
• Hielscher სამრეწველო ულტრაბგერითი სისტემები გაჟონვის აპლიკაციებისთვის საიმედო და მტკიცეა და ადვილად შეიძლება ინტეგრირდეს არსებულ გადამუშავების ქარხნებში.

ლითიუმ-იონური ბატარეების გადამუშავება

ლითიუმ-იონური ბატარეები ფართოდ გამოიყენება ელექტრო მანქანებში (EV), ლეპტოპებსა და მობილურ ტელეფონებში. ეს ნიშნავს, რომ დახარჯული ლითიუმ-იონური ბატარეები არის მიმდინარე გამოწვევა ნარჩენების მართვასა და გადამუშავებაში. ბატარეები ელექტრომობილების მთავარი ღირებულების მამოძრავებელია და მათი განკარგვა ასევე ძვირია. გარემოსდაცვითი და ეკონომიკური ასპექტები უბიძგებს დახურული გადამუშავების მარყუჟს, რადგან ბატარეის ნარჩენები შეიცავს ძვირფას მასალებს და ხელს უწყობს ლითიუმ-იონური ბატარეების წარმოების ნახშირბადის ანაბეჭდის შემცირებას.
Li-ion ბატარეების გადამუშავება იზრდება ინდუსტრიის აყვავებულ სექტორში, რათა უზრუნველვყოთ იშვიათი მიწიერი ლითონებისა და ბატარეის სხვა კომპონენტების მომავალში ხელმისაწვდომობა და შემცირდეს მაინინგის გარემოსდაცვითი ხარჯები.

პირომეტალურგიული და ჰიდრომეტალურგიული გადამუშავება vs ულტრაბგერითი ბატარეის გადამუშავება

ქვემოთ შევადარებთ პირომეტალურგიული და ჰიდრომეტალურგიული პროცესების ჩვეულებრივ მეთოდებს ულტრაბგერითი გამორეცხვის ტექნიკასთან უპირატესობებთან და ნაკლოვანებებთან დაკავშირებით.

ჩვეულებრივი ბატარეის გადამუშავების ნაკლოვანებები

ლითიუმ-იონური ბატარეების გადამუშავებისთვის 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 იწვება, ხოლო დარჩენილი მეტალის კომპონენტები დნება და გამოყოფილია. თუმცა, ამ მეთოდებს აქვს გარკვეული უარყოფითი მხარეები:

• Გავლენა გარემოზე: პირომეტალურგიული პროცესები ატმოსფეროში ათავისუფლებს მავნე ემისიებსა და დამაბინძურებლებს, რაც ხელს უწყობს ჰაერის დაბინძურებას და პოტენციურ საფრთხეს ჯანმრთელობისთვის.
• მასალების დაკარგვა: მაღალტემპერატურულ პროცესებს შეიძლება მოჰყვეს ძვირფასი მასალების და ლითონების დაკარგვა თერმული დეგრადაციის გამო, რაც ამცირებს მთლიან აღდგენის სიჩქარეს.
• ენერგო ინტენსიური: ეს მეთოდები, როგორც წესი, მოითხოვს მნიშვნელოვან ენერგიას, რაც ზრდის საოპერაციო ხარჯებს და გარემოსდაცვით კვალს.

 
ჰიდრომეტალურგიული მეთოდები მოიცავს ქიმიურ გაჟონვას ბატარეის კომპონენტების დასაშლელად და ძვირფასი ლითონების მოსაპოვებლად. მიუხედავად იმისა, რომ უფრო ეკოლოგიურად სუფთაა, ვიდრე პირომეტალურგიული მეთოდები, ჰიდრომეტალურგიას აქვს თავისი ნაკლოვანებები:

• ქიმიური გამოყენება: გაჟონვისთვის საჭიროა ძლიერი მჟავები ან სხვა კოროზიული ქიმიკატები, რაც იწვევს შეშფოთებას ქიმიურ დამუშავებასთან, ნარჩენების მართვასთან და გარემოს პოტენციურ დაბინძურებასთან დაკავშირებით.
• შერჩევითობის გამოწვევები: სასურველი ლითონების შერჩევითი გაჟონვის მიღწევა შეიძლება რთული იყოს, რაც გამოიწვევს აღდგენის დაბალი მაჩვენებელს და ღირებული რესურსების პოტენციურ დაკარგვას.

 

ულტრაბგერითი ბატარეის გამორეცხვის უპირატესობები ჩვეულებრივ ტექნიკასთან შედარებით

პირომეტალურგიულ და ჰიდრომეტალურგიულ გადამუშავების ტექნიკასთან შედარებით, ულტრაბგერითი ბატარეის გადამუშავების ტექნიკა კონკურენციას უწევს სხვადასხვა უპირატესობების გამო:

1. გაძლიერებული ეფექტურობა: ულტრაბგერითი გამოსხივება შეუძლია დააჩქაროს ბატარეის მასალების დაშლა, რაც გამოიწვევს დამუშავების ხანმოკლე პერიოდს და უფრო მაღალ ეფექტურობას.
2. გაუმჯობესებული აღდგენის მაჩვენებლები: ულტრაბგერითი კავიტაციის კონტროლირებადი გამოყენება აძლიერებს ბატარეის კომპონენტების დაშლას, ზრდის ძვირფასი ლითონების აღდგენის მაჩვენებელს.
3. Ეკოლოგიურად სუფთა: ულტრაბგერითი გადამუშავება ამცირებს მაღალ ტემპერატურაზე და მკაცრ ქიმიკატებზე დამოკიდებულებას, ამცირებს გარემოზე ზემოქმედებას და ამცირებს დამაბინძურებლების ემისიას.
4. შერჩევითი გარეცხვა: ულტრაბგერითი კონტროლირებადი გამოყენება საშუალებას იძლევა მიზანმიმართულად დაარღვიოს კონკრეტული კომპონენტები ბატარეის შიგნით, მათი ეფექტურად გამიჯვნა. მას შემდეგ, რაც სხვადასხვა გადამუშავებადი ბატარეის ნაერთები ამოღებულია იხსნება სპეციფიკური ულტრაბგერითი ინტენსივობით, დამუშავების ოპტიმიზირებული პარამეტრები საშუალებას იძლევა ცალკეული მასალების შერჩევითი გაჟონვა. ეს ხელს უწყობს ძვირფასი ლითონებისა და მასალების ეფექტურ გამოყოფას.
5. შემცირებული ენერგიის მოხმარება: ჰიდრომეტალურგიულ და განსაკუთრებით პირომეტალურგიულ მეთოდებთან შედარებით, ულტრაბგერითი გადამუშავება ზოგადად უფრო ენერგოეფექტურია, რაც იწვევს საოპერაციო ხარჯების შემცირებას და ნახშირბადის ანაბეჭდის შემცირებას.
6. მასშტაბურობა და მოქნილობა: ულტრაბგერითი სისტემები ადვილად შეიძლება გაიზარდოს ან შემცირდეს სხვადასხვა ზომის ბატარეისა და წარმოების შესაძლებლობების დასაკმაყოფილებლად. გარდა ამისა, ბატარეის გადამუშავებისთვის ულტრაბგერითი აპარატები შეიძლება ადვილად იყოს ინტეგრირებული ბატარეის გადამუშავების უკვე არსებულ ობიექტებში. ადვილად ხელმისაწვდომია სხვადასხვა სიმძლავრის მასშტაბით და შესატყვისი აქსესუარებით, როგორიცაა ულტრაბგერითი ზონდები და ნაკადის უჯრედის რეაქტორები, ულტრაბგერითი აპარატები უმკლავდებიან ბატარეების კომპონენტებს სხვადასხვა ზომის და წარმოების სიმძლავრეებში, რაც უზრუნველყოფს მასშტაბურობას და ადაპტირებას გადამუშავების პროცესებში.
7. სინერგიული ინტეგრაცია: ულტრაბგერითი გამორეცხვა შეიძლება იყოს ინტეგრირებული ჰიდრომეტალურგიული ბატარეების გადამუშავების არსებულ ხაზებში, რათა გაძლიერდეს და გააუმჯობესოს ძვირფასი ლითონებისა და მასალების ჰიდრომეტალურგიული გამორეცხვა დახარჯული Li-ion ბატარეებიდან.

მთლიანობაში, ულტრაბგერითი ბატარეის გადამუშავება გვპირდება, როგორც უფრო ეკოლოგიურად სუფთა, ეფექტური და შერჩევითი მეთოდი ტრადიციულ პირომეტალურგიულ და ჰიდრომეტალურგიულ მიდგომებთან შედარებით.

 

სამრეწველო ულტრაბგერითი გამორეცხვა ლითონის აღდგენისთვის დახარჯული ბატარეებიდან

ულტრაბგერითი გამორეცხვა და ლითონის მოპოვება შეიძლება გამოყენებულ იქნას ლითიუმის კობალტის ოქსიდის ბატარეების (მაგ. ლეპტოპებიდან, სმარტფონებიდან და ა.შ.) და ასევე რთული ლითიუმ-ნიკელ-მანგანუმ-კობალტის ბატარეების გადამუშავების პროცესებში (მაგ. ელექტრო მანქანებიდან).
მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი ცნობილია თავისი უნარით დაამუშავოს ქიმიური სითხეები და შლაპები მასის გადაცემის გასაუმჯობესებლად და ქიმიური რეაქციების დასაწყებად.
ენერგეტიკული ულტრაბგერითი გამოსხივების ინტენსიური ეფექტი ეფუძნება აკუსტიკური კავიტაციის ფენომენს. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი სითხეებში/შლაპებში შეერთებით, სითხეებში დაბალი წნევის და მაღალი წნევის ტალღების მონაცვლეობა წარმოქმნის მცირე ვაკუუმ ბუშტებს. მცირე ვაკუუმის სიცარიელეები იზრდება სხვადასხვა დაბალი წნევის / მაღალი წნევის ციკლის განმავლობაში, სანამ არ იშლება ძალადობრივად. კოლაფსირებული ვაკუუმის ბუშტები შეიძლება ჩაითვალოს მიკრორეაქტორებად, რომლებშიც ტემპერატურა 5000K-მდეა, წნევა 1000ატმ-მდე და გათბობისა და გაგრილების სიჩქარე 10-ზე მეტი.^-10 მოხდეს. გარდა ამისა, წარმოიქმნება ძლიერი ჰიდროდინამიკური ათვლის ძალები და თხევადი ჭავლები 280 მ/წმ-მდე სიჩქარით. აკუსტიკური კავიტაციის ეს ექსტრემალური პირობები ქმნის არაჩვეულებრივ ფიზიკურ და ქიმიურ პირობებს სხვაგვარად ცივ სითხეებში და ქმნის ხელსაყრელ გარემოს ქიმიური რეაქციებისთვის (ე.წ. სონოქიმია).

ულტრაბგერითი წარმოქმნილმა კავიტაციამ შეიძლება გამოიწვიოს ხსნარის თერმოლიზი, ასევე მაღალი რეაქტიული რადიკალების და რეაგენტების წარმოქმნა, როგორიცაა თავისუფალი რადიკალები, ჰიდროქსიდის იონები (•OH,) ჰიდრონიუმი (H).₃O+) და ა.შ., რომლებიც უზრუნველყოფენ სითხეში არაჩვეულებრივ რეაქტიულ პირობებს ისე, რომ რეაქციის სიჩქარე მნიშვნელოვნად გაიზარდა. მყარი ნივთიერებები, როგორიცაა ნაწილაკები, აჩქარებულია თხევადი ჭავლებით და დაფქვავენ ნაწილაკთაშორისი შეჯახებითა და აბრაზიით, ზრდის აქტიური ზედაპირის ფართობს და, შესაბამისად, მასის გადაცემას.
ულტრაბგერითი გამორეცხვისა და ლითონის აღდგენის დიდი უპირატესობა არის პროცესის პარამეტრების ზუსტი კონტროლი, როგორიცაა ამპლიტუდა, წნევა და ტემპერატურა. ეს პარამეტრები საშუალებას იძლევა ზუსტად დაარეგულიროს რეაქციის პირობები პროცესის გარემოსა და მიზანმიმართულ გამოსავალზე. გარდა ამისა, ულტრაბგერითი გაჟონვა აშორებს ყველაზე პატარა მეტალის ნაწილაკებსაც კი სუბსტრატიდან, ამასთან ინარჩუნებს მიკროსტრუქტურებს. ლითონის გაძლიერებული აღდგენა განპირობებულია მაღალი რეაქტიული ზედაპირების ულტრაბგერითი შექმნით, რეაქციის გაზრდილი სიჩქარით და გაუმჯობესებული მასობრივი ტრანსპორტით. ხმოვანი პროცესების ოპტიმიზაცია შესაძლებელია თითოეულ პარამეტრზე ზემოქმედებით და, შესაბამისად, არა მხოლოდ ძალიან ეფექტური, არამედ ძალიან ენერგოეფექტურია.
მისი ზუსტი პარამეტრის კონტროლი და ენერგოეფექტურობა ხდის ულტრაბგერითი გამორეცხვას ხელსაყრელ და შესანიშნავ ტექნიკას – განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც შევადარებთ რთულ მჟავას გამორეცხვისა და ქელაციის ტექნიკას.

LiCoO-ს ულტრაბგერითი აღდგენა₂ დახარჯული ლითიუმ-იონური ბატარეებიდან

ულტრაბგერითი ხელს უწყობს რედუქციურ გამორეცხვას და ქიმიურ ნალექს, რომლებიც გამოიყენება ლილის, როგორც Li-ის აღსადგენად.₂CO₃ და Co, როგორც Co(OH)₂ ნარჩენი ლითიუმ-იონური ბატარეებიდან.
ჟანგი და სხვ. (2014) მოხსენება LiCoO-ს წარმატებული აღდგენის შესახებ₂ ულტრაბგერითი რეაქტორის გამოყენებით. 600მლ საწყისი ხსნარის მოსამზადებლად მოათავსეს 10გრ არასწორი LiCoO.₂ ფხვნილი ჭიქაში და დაემატა 2.0მოლ/ლ LiOH ხსნარი, რომელიც შერეულია.
ნარევი ჩაასხეს ულტრაბგერითი გამოსხივებაში და ამუშავდა ამრევი მოწყობილობა, სარეაქციო მოწყობილობა მოთავსდა რეაქციის ჭურჭლის ინტერიერში. თბებოდა 120◦C-მდე, შემდეგ კი ულტრაბგერითი მოწყობილობა დაყენებული იყო 800 ვტ-ზე და ულტრაბგერითი მოქმედების რეჟიმი დაყენებული იყო იმპულსური მუშაობის ციკლებზე 5 წმ. ჩართულია / 2 წმ. გამორთულია. ულტრაბგერითი დასხივება გამოიყენებოდა 6 საათის განმავლობაში, შემდეგ კი სარეაქციო ნარევი გაცივდა ოთახის ტემპერატურამდე. მყარი ნარჩენი რამდენჯერმე გარეცხეს დეიონირებული წყლით და გააშრეს 80◦C ტემპერატურამდე მუდმივ წონამდე. მიღებული ნიმუში შეგროვდა შემდგომი ტესტირებისთვის და ბატარეის წარმოებისთვის. დატენვის სიმძლავრე პირველ ციკლში არის 134.2 mAh/g, ხოლო გამონადენის მოცულობა 133.5 mAh/g. პირველად დატენვისა და გამორთვის ეფექტურობა იყო 99.5%. 40 ციკლის შემდეგ, გამონადენის სიმძლავრე კვლავ არის 132.9 mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
ულტრაბგერითი გამორეცხვა ორგანული მჟავებით, როგორიცაა ლიმონმჟავა, არა მხოლოდ ეფექტურია, არამედ ეკოლოგიურადაც. კვლევამ აჩვენა, რომ Co-ს და Li-ს გამორეცხვა უფრო ეფექტურია ლიმონმჟავასთან, ვიდრე არაორგანული მჟავებით H2SO4 და HCl. 96%-ზე მეტი Co და თითქმის 100% Li ამოღებული იქნა დახარჯული ლითიუმ-იონური ბატარეებიდან. ის ფაქტი, რომ ორგანული მჟავები, როგორიცაა ლიმონის მჟავა და ძმარმჟავა, არის იაფი და ბიოდეგრადირებადი, ხელს უწყობს გაჟონვის შემდგომ ეკონომიკურ და ეკოლოგიურ უპირატესობებს.

მაღალი სიმძლავრის სამრეწველო ულტრაბგერა ლითონის გამორეცხვისთვის დახარჯული ბატარეებიდან

Hielscher Ultrasonics არის თქვენი დიდი ხნის გამოცდილი მიმწოდებელი უაღრესად ეფექტური და საიმედო ულტრაბგერითი სისტემებისთვის, რომლებიც უზრუნველყოფენ საჭირო სიმძლავრეს ნარჩენებისგან ლითონების გასაწმენდად. ლითიუმ-იონური ბატარეების ხელახალი დამუშავებისთვის ისეთი ლითონების მოპოვებით, როგორიცაა კობალტი, ლითიუმი, ნიკელი და მანგანუმი, აუცილებელია ძლიერი და ძლიერი ულტრაბგერითი სისტემები. Hielscher Ultrasonics სამრეწველო ერთეულები, როგორიცაა UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) და UIP16000 (16kW) არის ყველაზე ძლიერი და მტკიცე მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი სისტემები ბაზარზე. ყველა ჩვენს სამრეწველო ერთეულს შეუძლია მუდმივად იმუშაოს ძალიან მაღალი ამპლიტუდით 200µm-მდე 24/7 მუშაობის დროს. კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია მორგებული ულტრაბგერითი სონოტროდები. Hielscher ულტრაბგერითი აღჭურვილობის გამძლეობა იძლევა 24/7 მუშაობის საშუალებას მძიმე მოვალეობებში და მომთხოვნ გარემოში. Hielscher აწვდის სპეციალურ სონოტროდებს და რეაქტორებს მაღალი ტემპერატურის, წნევისა და კოროზიული სითხეებისთვის. ეს ხდის ჩვენს სამრეწველო ულტრაბგერას ყველაზე შესაფერისი ექსტრაქციული მეტალურგიის ტექნიკისთვის, მაგ. ჰიდრომეტალურგიული დამუშავებისთვის.

ქვემოთ მოყვანილი ცხრილი გვიჩვენებს ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატების სავარაუდო დამუშავების შესაძლებლობებს:

---

---

ლიტერატურა/ცნობარი

• 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.