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).

초음파 생성 된 캐비테이션은 자유 라디칼, 수산화 이온 (OH), 하이드로 늄 (H) (OH), 하이드 록실_삼O +) 등을 포함하며, 이는 반응 속도가 상당히 증가하도록 액체에서 특별한 반응 조건을 제공한다. 입자와 같은 고형물은 액체 제트에 의해 가속되고, 입자 간 충돌 및 마모에 의해 분쇄되어 활성 표면적을 증가시킴으로써 물질 전달을 일으킨다.
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 주_삼 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)

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.

문학 / 참고 문헌

• Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017) : 유기산을 사용하여 사용한 리튬 이온 배터리로부터 리튬 및 코발트 회수 : 공정 최적화 및 동역학 측면. 폐기물 관리 64, 2017. 244-254.
• Shin S.-M .; Lee D.-W .; Wang J.-P. (2018) : LiNiO에서 니켈 나노 분말의 제조₂ 사용 된 리튬 이온 배터리. 금속 8, 2018.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014) : LiCoO의 초음파 기반 수열 개조₂ 사용 된 리튬 이온 배터리의 음극에서. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014) : 사용 된 리튬 이온 배터리의 음극에서 리튬 코발트 산화물 물질 회수. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.

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