리튬 이온 배터리의 재활용을위한 초음파
- 전기 자동차에 사용되는 리튬 이온 배터리는 이제 막 대량 판매가되고 있으며 재활용 용량이 개발되어야합니다.
- 초음파 침출은 사용 된 리튬 이온 배터리에서 Li, Mg, Co, Ni 등의 금속을 회수하는 효율적이고 환경 친화적 인 기술입니다.
- Hielscher의 침출 용 산업용 초음파 시스템은 신뢰할 만하고 견고하며 기존의 재활용 플랜트에 쉽게 통합 될 수 있습니다.
리튬 이온 배터리의 재활용
리튬 이온 배터리는 전기 자동차 (EV), 노트북 및 휴대 전화에 널리 사용됩니다. 이는 소비된 리튬 이온 배터리가 폐기물 관리 및 재활용과 관련하여 현재 와같은 과제라는 것을 의미합니다. 배터리는 전기 자동차용 주요 비용 동인이며 폐기 비용도 비쌉입니다. 배터리 폐기물에는 귀중한 재료가 포함되어 있으며 리튬 이온 배터리 제조의 탄소 발자국을 줄이는 데 도움이 되기 때문에 환경 및 경제적 측면은 폐쇄 된 재활용 루프를 추진합니다.
리튬 이온 배터리의 재활용은 희토류 금속 및 기타 배터리 부품의 향후 가용성을 보장하고 광업의 환경 비용을 줄이기 위해 번창하는 산업 분야로 성장하고 있습니다.
산업용 초음파 침출
리튬 침출 및 금속 추출은 리튬 코발트 산화물 배터리 (예 : 랩톱, 스마트 폰 등) 및 복잡한 리튬 - 니켈 - 망간 - 코발트 배터리 (예 : 전기 자동차)의 재활용 프로세스에 적용 할 수 있습니다.
고출력 초음파는 물질 전달을 향상시키고 화학 반응을 일으키기 위해 화학 액체 및 슬러리를 처리하는 능력으로 잘 알려져 있습니다.
전력 초음파의 강렬한 효과는 음향 캐비테이션 현상에 기반합니다. 고출력 초음파를 액체 / 슬러리에 결합시킴으로써 액체의 저압 및 고압의 교번 진동이 작은 진공 기포를 생성합니다. 작은 진공 공극은 격렬하게 폭발 할 때까지 다양한 저압 / 고압 사이클에서 자랍니다. 붕괴되는 진공 기포는 최대 5000K의 온도, 1000atm의 압력, 10 ℃ 이상의 가열 및 냉각 속도를 갖는 마이크로 리액터로 간주 될 수 있습니다-10 나오다. 또한 강력한 유체 역학적 전단력과 최대 280m / s 속도의 액체 제트가 생성됩니다. 음향 캐비테이션의 이러한 극한 조건은 차가운 액체에서 특별한 물리적 및 화학적 조건을 만들어 화학 반응에 유리한 환경을 조성합니다 (sonochemistry).
48kW 초음파 프로세서
금속 침출과 같은 까다로운 응용 분야에 적합
다 쓴 배터리 폐기물에서 금속의 초음파 침출.
초음파 침출 및 금속 회수의 가장 큰 장점은 진폭, 압력 및 온도와 같은 공정 변수에 대한 정밀한 제어입니다. 이 매개 변수를 통해 반응 매개 변수를 공정 매체와 목표 출력으로 정확하게 조정할 수 있습니다. 또한, 초음파 침출은 미세 구조를 유지하면서 기판에서 가장 작은 금속 입자까지도 제거합니다. 향상된 금속 회수는 반응성이 높은 표면의 초음파 생성, 증가 된 반응 속도 및 향상된 질량 이동으로 인한 것입니다. Sonication 프로세스는 각 매개 변수에 영향을줌으로써 최적화 될 수 있으므로 매우 효과적 일뿐만 아니라 에너지 효율도 높습니다.
정확한 매개 변수 제어 및 에너지 효율은 초음파 침출을 유리하고 탁월한 기법으로 만듭니다. – 특히 복잡한 산 침출 및 킬레이트 기술과 비교할 때 더욱 그러합니다.
LiCoO의 초음파 재생2 사용 된 리튬 이온 배터리에서
Ultrasonication은 리튬을 Li로 회수하는 데 사용되는 환원성 침출 및 화학 침전을 지원합니다.2콜로라도 주삼 및 Co (OH)2 폐 리튬 이온 배터리.
Zhang et al. (2014)는 LiCoO의 성공적인 복구를보고합니다.2 초음파 반응기를 사용하여. 600mL의 시작 용액을 제조하기 위해, 그들은 무효 LiCoO 10g을 넣었다.2 파우더에 넣고 2.0 mol / L LiOH 용액을 첨가하여 혼합 하였다.
혼합물을 초음파 조사 장치에 주입하고 교반 장치를 작동시키고, 교반 장치를 반응 용기의 내부에 설치 하였다. 120 ° C로 가열 한 후 초음파 장치 을 800W로 설정하고 초음파 작동 모드를 5 초의 펄스 듀티 사이클로 설정 하였다. ON / 2 초. 떨어져서. 초음파 조사를 6 시간 동안 가한 다음, 반응 혼합물을 실온으로 냉각시켰다. 고체 잔류 물을 탈 이온수로 수회 세척하고 일정한 무게가 될 때까지 80 ℃에서 건조시켰다. 수득 된 샘플을 후속 시험 및 전지 제조를 위해 수집 하였다. 첫 번째 사이클의 충전 용량은 134.2mAh / g이고 방전 용량은 133.5mAh / g이다. 1 차 충 방전 효율은 99.5 %였다. 40 사이클 후에, 방전 용량은 여전히 132.9mAh / g이다. (Zhang 외 2014)
120 ° C에서 6 시간 동안 (a) 및 (b) 초음파 처리 전 LiCoO2 결정 사용 출처 : Zhang et al. 2014
구연산과 같은 유기산으로 초음파 침출하는 것은 효과적 일뿐만 아니라 환경 친화적입니다. 연구에 따르면 Co와 Li의 침출은 무기산 H보다 구연산에 더 효율적이다.2그래서4 및 HCl. 사용한 리튬 이온 배터리에서 96 % 이상의 Co 및 거의 100 %의 Li가 회수되었습니다. 시트르산 및 아세트산과 같은 유기산이 저렴하고 생분해 될 수 있다는 사실은 초음파 처리의 경제적 및 환경 적 이점에 기여합니다.
고전력 산업용 초음파
Hielscher Ultrasonics는 고효율 및 신뢰할 수있는 초음파 시스템을 오랫동안 경험해온 공급 업체로, 폐기물에서 금속을 추출하는 데 필요한 성능을 제공합니다. 코발트, 리튬, 니켈 및 망간과 같은 금속을 추출하여 리튬 이온 배터리를 재 처리하려면 강력하고 견고한 초음파 시스템이 필수적입니다. Hielscher 초음파’ 산업 단위 UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) 과 UIP16000 (16kW) 는 시장에서 가장 강력하고 견고한 고성능 초음파 시스템입니다. 우리의 모든 산업용 장치는 24/7 작동에서 최대 200μm의 매우 높은 진폭으로 연속적으로 작동 할 수 있습니다. 더 높은 진폭의 경우 사용자 정의 초음파 sonotrodes를 사용할 수 있습니다. Hielscher의 초음파 장비의 견고성은 까다로운 환경과 까다로운 환경에서 연중 무휴로 작동 할 수 있습니다. Hielscher는 고온, 압력 및 부식성 액체를위한 특별한 소노로드 및 반응기도 공급합니다. 이것은 산업용 초음파 장비를 습식 야금 처리와 같은 추출 야금 기술에 가장 적합하게 만듭니다.
아래 표는 초음파 장비의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.
| 일괄 볼륨 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 0.1 ~ 20L | 0.2 ~ 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 ~ 100L | 2 ~ 10L / min | UIP4000 |
| N.A. | 10 ~ 100L / min | UIP16000 |
| N.A. | 더 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
알만한 가치가있는 사실
리튬 이온 배터리
리튬 이온 배터리 (LIB)는 높은 에너지 밀도를 제공하며 전자 자동차, 하이브리드 자동차, 랩톱, 휴대폰, iPod 등과 같은 가전 제품에 자주 통합되는 (충전식) 배터리의 집합적인 용어입니다. 비슷한 크기와 용량의 충전식 배터리의 다른 변형 제품인 LIB는 훨씬 가볍습니다.
일회용 리튬 1 차 전지와 달리 LIB는 전극으로 금속성 리튬 대신 인터 칼 레이션 된 리튬 화합물을 사용합니다. 리튬 이온 배터리의 주요 구성 요소는 전극입니다 – 양극 및 음극 – 및 전해질.
대부분의 전지는 전해질, 세퍼레이터, 호일 및 케이스와 관련하여 공통된 구성 요소를 공유합니다. 셀 기술의 주요 차이점은 다음과 같이 활용됩니다. “활물질” 캐소드 및 애노드와 같은. 흑연은 양극으로서 가장 빈번하게 사용되는 물질이며 음극은 적층 된 LiMO2 (M = Mn, Co 및 Ni), 스피넬 LiMn2영형4, 올리 빈 LiFePO4. 전해질 유기 액체 전해질 (예 : 에틸렌 카보네이트 (EC), 디메틸 카보네이트 (DMC), 디 에틸 카보네이트 (DEC), 에틸 메틸 카보네이트 (EMC) 등과 같은 유기 용매의 혼합물에 용해 된 LiPF6 염) 이온 운동.
양극 (음극) 및 음극 (음극) 전극 재료에 따라 LIB의 에너지 밀도와 전압이 각각 다릅니다.
전기 자동차에 사용되는 경우 종종 전기 자동차 배터리 (EVB) 또는 견인 배터리가 사용됩니다. 이러한 견인 배터리는 지게차, 전기 골프 카트, 바닥 청소기, 전기 오토바이, 전기 자동차, 트럭, 밴 및 기타 전기 자동차에 사용됩니다.
사용 된 리튬 이온 배터리에서의 금속 재활용
납이나 카드뮴을 함유하고있는 다른 종류의 전지와 비교할 때, 리튬 이온 전지는 독성이 적은 금속을 포함하므로 환경 친화적 인 것으로 간주됩니다. 그러나 전기 자동차에서 사용 된 배터리로 폐기해야하는 방대한 리튬 이온 배터리는 폐기물 문제를 야기합니다. 그러므로, 리튬 이온 배터리의 폐쇄 된 재활용 루프가 필요하다. 경제적 관점에서 볼 때 철, 구리, 니켈, 코발트 및 리튬과 같은 금속 원소를 회수하여 새 배터리를 생산할 때 재사용 할 수 있습니다. 재활용은 미래의 부족도 막을 수 있습니다.
니켈 함유량이 많은 배터리가 출시되고 있지만 코발트가없는 배터리는 생산할 수 없습니다. 니켈 함량이 높을수록 비용이 상승합니다. 니켈 함량이 증가하면 배터리의 안정성이 저하되고주기 수명이 빨라지고 급속 충전 기능이 저하됩니다.
리튬 이온 배터리에 대한 수요 증가로 인해 폐 건전지의 재활용 용량이 증가하고 있습니다.
재활용 프로세스
테슬라 승용차와 같은 전기 자동차의 배터리 수명은 대략 10 년입니다.
소모 된 리튬 이온 배터리의 재활용은 고전압 및 유해 화학 물질이 관련되어 있기 때문에 까다로운 프로세스이며 열 폭주, 전기 충격 및 유해 물질 방출 위험이 있습니다.
폐회로 재활용을 확립하기 위해서는 모든 화학 결합과 모든 원소가 각각의 분수로 분리되어야합니다. 그러나 이러한 폐 루프 재활용에 필요한 에너지는 매우 비쌉니다. 복구에 가장 가치있는 재료는 비싼 채광과 금속 성분의 높은 시판 가격으로 재활용이 경제적으로 매력적이기 때문에 Ni, Co, Cu, Li 등과 같은 금속입니다.
리튬 이온 배터리의 재활용 프로세스는 배터리 해체 및 방전으로 시작됩니다. 배터리를 열기 전에 배터리의 화학 물질을 비활성화하려면 패시베이션이 필요합니다. 부동태 화는 극저온 냉동 또는 제어 된 산화에 의해 달성 될 수있다. 배터리 크기에 따라 배터리를 분해하여 셀로 분해 할 수 있습니다. 해체 및 분쇄 후, 부품들은 셀 분말, 알루미늄, 구리 및 플라스틱을 전극 분말로부터 제거하기 위해 여러 가지 방법 (예 : 스크리닝, 체질, 수작업, 자성, 습식 및 탄도 분리)에 의해 분리됩니다. 전극 재료의 분리는 습식 제련 처리와 같은 하류 공정에 필요합니다.
열분해
열분해 처리를 위해, 파쇄 된 배터리는 석회암이 슬래그 형성 제로 첨가되는 노에서 제련됩니다.
열수 프로세스
습식 제련 공정은 염을 금속으로 침전시키기 위해 산성 반응을 기반으로합니다. 전형적인 습식 제련 공정은 침출, 침전, 이온 교환, 용매 추출 및 수용액의 전기 분해를 포함한다.
열수 처리의 장점은 염으로서 Ni 및 Co의 + 95 %의 높은 회수율이며 Li의 + 90 %가 침전 될 수 있으며 나머지는 + 80 %까지 회복 될 수 있습니다.
특히 코발트는 고 에너지 및 전력 어플리케이션을위한 리튬 이온 배터리 음극의 핵심 부품입니다.
도요타 프리우스 (Toyota Prius)와 같은 현재의 하이브리드 자동차는 니켈 금속 수 소화물 배터리를 사용하며,이 배터리는 해체되고, 방전되고, 리튬 이온 배터리와 유사한 방식으로 재활용됩니다.
문학 / 참고 문헌
- 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.
실험실 및 벤치 탑에서 산업 생산에 이르기까지 강력한 초음파 처리.