초음파 침출은 배터리 재활용 및 도시 광업을 변화시킵니다.

중고 배터리 및 전자 폐기물은 리튬, 니켈, 망간, 코발트와 같은 귀중한 물질로 포장되어 재생 에너지 및 전기 자동차 부문의 수요 증가에 필수적입니다. 버려진 배터리 및 기타 전자 폐기물에서 이러한 금속을 회수하는 과정인 도시 채굴은 순환 경제로 가는 유망한 경로로, 순수 채굴의 필요성을 줄이고 폐기물을 최소화합니다. 이 분야의 핵심 기술은 초음파 처리이며, 이는 금속 회수율을 높이고 처리 시간을 단축하며 지속 가능성을 향상시키는 데 엄청난 이점을 보여주었습니다.

배터리 재활용 및 도시 광업에서 초음파 처리의 힘 : 지속 가능한 자원 회수를위한 게임 체인저

Canciani et al. (2024)의 최근 연구는 초음파 캐비테이션(고강도 초음파에 의해 생성되는 작은 충격파)이 배터리 재활용을 위한 침출 과정에 미치는 영향을 탐구합니다. 그들의 연구는 초음파 처리가 전통적인 재활용에 대한 겸손한 개선이 아니라는 것을 보여줍니다. 이는 재활용 공정이 배터리 재료와 상호 작용하는 방식을 근본적으로 변화시켜 더 빠르고 효율적이며 가혹한 화학 물질에 대한 의존도를 줄입니다.
아래에서 연구 결과에 대해 자세히 알아보세요!

초음파로 강화된 산성 침출은 표면 근처에서 파열되는 캐비테이션 기포의 유익한 기계적 작용으로 인해 기존의 산성 침출보다 12배 빠른 속도로 작동합니다. 이 현상은 산성 용액 혼합을 개선하여 수송 특성을 향상시킵니다.
이미지 및 연구: © Canciani et al., 2024

배터리 재활용에서 초음파 처리가 작동하는 방식

일반적인 배터리 재활용에서 음극 물질(귀중한 금속 포함)은 산성 용액에 용해되며, 이를 “침 출.” 이 접근 방식을 사용하면 배터리의 견고한 구조에서 금속을 분리하고 회수할 수 있습니다. 그러나 기존의 침출은 시간이 많이 걸리며 상당한 금속 회수를 달성하는 데 몇 시간이 걸리는 경우가 많습니다. 또한 강산과 고온을 필요로 하기 때문에 환경 영향에 대한 우려가 제기됩니다.
초음파 처리는 초음파를 침출 용액에 직접 추가하여이 과정을 변환합니다. 2024년 Canciani 등이 발표한 연구에서 연구원들은 대리 배터리 재료인 리튬 코발트 니켈 망간 산화물(NMC)로 이 기술을 테스트했습니다. 특정 주파수와 진폭으로 초음파를 적용함으로써 초음파 캐비테이션이 침출 시간을 80% 이상 단축한다는 것을 발견했습니다. 이 프로세스는 몇 시간이 걸리던 것을 몇 분 만에 해결할 수 있게 되었고, 효율성이 획기적으로 개선되었습니다.

향상된 침출에서 초음파 처리의 역할 : 질량 전달 및 속도의 과학

초음파 처리는 침출 속도를 높이는 것만이 아닙니다. 산성 용액이 배터리 입자와 상호 작용하는 방식을 변경합니다. 고출력 초음파는 용액에서 빠르게 붕괴되는 수백만 개의 미세한 기포를 생성하며, 이러한 현상은 캐비테이션으로 알려져 있습니다. 이 작용은 표면 입자를 분해하고 배터리 재료 내의 산과 금속 사이의 상호 작용을 증가시키는 강렬한 국부력을 생성합니다.
Canciani et al. (2024)에 따르면 이 공정은 배터리 재료에 두 가지 주요 영향을 미칩니다: 입자의 다공성을 증가시키고 입자의 크기를 줄여 표면적을 극적으로 증가시킵니다. 표면적이 클수록 산이 재료와 더 광범위하게 상호 작용할 수 있으므로 더 빠른 침출을 촉진할 수 있습니다. 저자들은 초음파 처리 된 샘플의 기공 부피가 기존 방식으로 처리 된 샘플에 비해 한 자릿수만큼 증가하여 산이 금속 함량을 용해시키는 더 많은 경로를 생성한다는 것을 관찰했습니다.

기존(a–c) 및 초음파(d–f) 침출 시간이 다른 입자에 대한 SEM 이미지.
이미지 및 연구: © Canciani et al., 2024

초음파 침출 : 향상된 수송 특성 및 마이크로 혼합

이 연구는 또한 초음파 캐비테이션이 표면 접촉을 향상시킬 뿐만 아니라 수송 특성을 크게 향상시킨다는 것을 시사합니다. 본질적으로, 이는 배터리 입자 전반에 걸친 산의 분포가 더 균일해지고 캐비테이션에 의한 마이크로 혼합이 균일한 노출을 보장한다는 것을 의미합니다. 이는 균질화된 반응 환경으로 이어져 산이 금속을 보다 효과적이고 균일하게 용해시킬 수 있도록 합니다.
또 다른 주목할만한 발견은 초음파 캐비테이션의 이점이 입자 크기 감소를 넘어 확장된다는 것입니다. 연구원들은 캐비테이션이 산과 입자 사이의 상호 작용 메커니즘을 변화시킨다는 것을 발견했는데, 이는 개선된 경계층 수송 때문일 수 있습니다. 간단히 말해서 캐비테이션은 각 입자를 둘러싼 액체 층의 두께를 줄여 금속 용해를 더 빠르게 할 수 있습니다.

초음파 및 기존 침출 후의 입자 크기 분포
이미지 및 연구: © Canciani et al., 2024

도시 광업 및 지속 가능성에 대한 이점

배터리 재활용에서 초음파 처리의 효과는 도시 광업 및 지속 가능한 자원 회수의 미래에 대한 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. Canciani et al. (2024)의 연구 결과에 따르면 초음파 처리는 다음과 같이 환경 파괴 관행에 대한 의존도를 대체하거나 줄일 수 있습니다.

• 화학 물질 사용 줄이기: 초음파로 향상된 침출을 통해 기존 침출에 일반적으로 필요한 더 강한 산 대신 아세트산과 같은 더 친환경적인 용매를 사용할 수 있습니다.
• 에너지 요구 사항 감소: 초음파 처리를 사용하면 장시간 가열이 필요하지 않고 실온에서 침출이 빠르게 발생하여 에너지 소비와 배출량이 줄어 듭니다.
• 재료 회수율 증가: 향상된 표면 상호 작용과 향상된 다공성은 귀중한 금속의 회수율을 극대화하여 재활용 프로세스를 경제적으로 실행 가능하고 환경 친화적으로 만듭니다.

배터리 산업에 대한 광범위한 영향

EV와 재생 에너지 기술이 확장됨에 따라 배터리, 더 나아가 그 안에 포함된 금속에 대한 수요가 급증하고 있습니다. 초음파 처리 강화 재활용을 통한 도시 채굴은 이러한 금속을 지속 가능하게 회수할 수 있는 수단을 제공하여 채굴에 대한 환경 부담을 줄이고 배터리 생산 및 폐기에 대한 폐쇄 루프 접근 방식을 제공합니다.
초음파 처리 기반 재활용 방법을 확장하고, 용매 조합을 최적화하고, 초음파의 적용을 개선하면 효율성이 더욱 향상됩니다. Hielscher 초음파는 침출 공정에 이상적인 초음파 발생기 인라인 구성을 기꺼이 추천합니다. 지금 문의하세요!

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아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.