리튬 이온 배터리 재활용을 위한 초음파

• 전기 자동차에 사용되는 리튬 이온 배터리는 이제 막 대중 시장에 출시되고 있으며 이에 따라 재활용 용량을 개발해야 합니다.
• 초음파 침출은 사용한 리튬 이온 배터리에서 Li, Mg, Co, Ni 등과 같은 금속을 회수하는 효율적이고 환경 친화적인 기술입니다.
• 침출 응용 분야를위한 Hielscher 산업용 초음파 시스템은 신뢰할 수 있고 견고하며 기존 재활용 공장에 쉽게 통합 할 수 있습니다.

리튬 이온 배터리의 재활용

리튬 이온 배터리는 전기 자동차(EV), 노트북 및 휴대폰에 널리 사용됩니다. 이는 사용한 리튬 이온 배터리가 폐기물 관리 및 재활용과 관련하여 현재 과제임을 의미합니다. 배터리는 EV의 주요 비용 동인이며 폐기 비용도 비쌉니다. 환경 및 경제적 측면에서는 배터리 폐기물에 귀중한 재료가 포함되어 있고 리튬 이온 배터리 제조의 탄소 발자국을 줄이는 데 도움이 되기 때문에 폐쇄형 재활용 루프가 필요합니다.
리튬 이온 배터리의 재활용은 희토류 금속 및 기타 배터리 부품의 미래 가용성을 보장하고 채굴의 환경 비용을 줄이기 위해 번창하는 산업 부문으로 성장하고 있습니다.

Pyrometalgical and Hydrometallurgical Recycling vs 초음파 배터리 재활용

아래에서는 기존의 pyrometallurgical 및 hydrometallurgical 공정 방법과 장점과 단점에 관한 초음파 침출 기술을 비교합니다.

기존 배터리 재활용의 단점

리튬 이온 배터리 재활용에 사용되는 전통적인 방법에는 제련 및 습식 제련 공정이 포함됩니다.
 
Pyrometallurgical 방법 제련 또는 소각과 같은 고온 공정을 포함합니다. 배터리는 극도의 열에 노출되어 유기 성분이 타버리고 나머지 금속 성분은 녹아 분리됩니다. 그러나 이러한 방법에는 몇 가지 단점이 있습니다.

• 환경적 영향: 열제련 공정은 유해한 배기 가스와 오염 물질을 대기 중으로 방출하여 대기 오염에 기여하고 잠재적으로 건강 위험을 유발할 수 있습니다.
• 재료 손실: 고온 공정은 열 분해로 인해 귀중한 재료와 금속의 손실을 초래할 수 있으며, 이로 인해 전체 회수율이 저하될 수 있습니다.
• 에너지 집약적: 이러한 방법은 일반적으로 상당한 에너지 투입이 필요하므로 운영 비용과 환경 발자국이 증가합니다.

 
습식 제련 방법 배터리 구성 요소를 용해하고 귀중한 금속을 추출하기 위해 화학적 침출을 포함합니다. pyrometallurgical 방법보다는 환경 친화적이지만, 습식 제련은 다음과 같은 단점이 있습니다.

• 화학 물질 사용: 침출에는 강산 또는 기타 부식성 화학 물질이 필요하며, 이는 화학 물질 취급, 폐기물 관리 및 잠재적인 환경 오염에 대한 우려를 불러일으킵니다.
• 선택성 과제: 원하는 금속의 선택적 침출을 달성하는 것은 어려울 수 있으며, 이로 인해 회수율이 낮아지고 귀중한 자원이 손실될 수 있습니다.

 

기존 기술에 비해 초음파 배터리 침출의 장점

둘 다와 비교할 때, pyrometallurgical 및 hydrometallurgical 재생 기술, 초음파 배터리 재활용 기술은 다양한 장점으로 인해 경쟁력을 뛰어 넘습니다.

1. 효율성 향상: 초음파 음파 처리는 배터리 재료의 분해를 가속화하여 처리 시간을 단축하고 전반적인 효율성을 높일 수 있습니다.
2. 향상된 회수율: 초음파 캐비테이션의 제어 적용은 배터리 구성 요소의 고장을 향상시켜 귀중한 금속의 회수율을 높입니다.
3. 환경적으로 우호적인: 초음파 재활용은 고온과 가혹한 화학 물질에 대한 의존도를 줄여 환경 영향을 최소화하고 오염 물질 배출을 줄입니다.
4. 선택적 침출: 초음파의 제어된 적용은 배터리 내의 특정 구성 요소를 표적 파괴하여 효율적으로 분리할 수 있습니다. 다양한 재활용 가능한 배터리 화합물이 특정 초음파 강도에서 용해되어 제거되기 때문에 최적화된 처리 매개변수를 통해 개별 재료를 선택적으로 침출할 수 있습니다. 이는 귀중한 금속과 재료의 효율적인 분리를 용이하게 합니다.
5. 에너지 소비 감소: 습식 제련 및 특히 제련 방법과 비교할 때 초음파 재활용은 일반적으로 에너지 효율이 높아 운영 비용이 절감되고 탄소 발자국이 줄어 듭니다.
6. 확장성 및 유연성: 초음파 시스템은 다양한 배터리 크기와 생산 용량을 수용하기 위해 쉽게 확장 또는 축소 할 수 있습니다. 또한 배터리 재활용을위한 초음파기는 이미 존재하는 배터리 재활용 시설에 쉽게 통합 할 수 있습니다. 초음파 프로브 및 플로우 셀 반응기와 같은 다양한 전력 규모와 일치하는 액세서리에서 쉽게 사용할 수있는 초음파기는 다양한 크기와 생산 용량의 배터리 구성 요소를 처리 할 수 있으므로 재활용 공정에서 확장 성과 적응성을 제공합니다.
7. 시너지 통합: 초음파 침출은 사용한 리튬 이온 배터리에서 귀중한 금속 및 재료의 습식 제련 침출을 강화하고 개선하기 위해 기존 습식 제련 배터리 재활용 라인에 통합될 수 있습니다.

전반적으로, 초음파 배터리 재활용은 기존의 열제련 및 습식 제련 접근 방식에 비해 환경 친화적이고 효율적이며 선택적인 방법으로 약속을 보여줍니다.

 

사용한 배터리에서 금속 회수를 위한 산업용 초음파 침출

초음파 침출 및 금속 추출은 리튬 코발트 산화물 배터리(예: 노트북, 스마트폰 등)와 복잡한 리튬-니켈-망간-코발트 배터리(예: 전기 자동차)의 재활용 공정에 적용할 수 있습니다.
고출력 초음파는 물질 전달을 개선하고 화학 반응을 시작하기 위해 화학 액체와 슬러리를 처리하는 능력으로 잘 알려져 있습니다.
전력 초음파의 강렬한 효과는 음향 캐비테이션 현상을 기반으로합니다. 고출력 초음파를 액체/슬러리에 결합함으로써 액체에서 교대로 발생하는 저압파와 고압파는 작은 진공 기포를 생성합니다. 작은 진공 공극은 격렬하게 파열 될 때까지 다양한 저압 / 고압 사이클에 걸쳐 성장합니다. 붕괴하는 진공 기포는 최대 5000K의 온도, 최대 1000atm의 압력, 10 이상의 가열 및 냉각 속도를 가진 마이크로 반응기로 간주 될 수 있습니다^-10 일어나다. 또한 강력한 유체역학적 전단력과 최대 280m/s 속도의 액체 제트가 생성됩니다. 이러한 극한의 음향 캐비테이션 조건은 차가운 액체에 특별한 물리적, 화학적 조건을 만들고 화학 반응에 유리한 환경(소위 초음파 화학).

초음파로 생성된 캐비테이션은 용질의 열분해뿐만 아니라 자유 라디칼, 수산화물 이온(•OH,), 히드로늄(H₃O+) 등, 반응 속도가 크게 증가하도록 액체에서 특별한 반응 조건을 제공합니다. 입자와 같은 고체는 액체 제트에 의해 가속되고 종간 충돌 및 마모에 의해 밀링되어 활성 표면적이 증가하여 물질 전달이 증가합니다.
초음파 침출 및 금속 회수의 가장 큰 장점은 진폭, 압력 및 온도와 같은 공정 매개 변수를 정밀하게 제어 할 수 있다는 것입니다. 이러한 파라미터를 통해 반응 조건을 공정 매질과 목표 출력에 맞게 정확하게 조정할 수 있습니다. 또한 초음파 침출은 기판에서 가장 작은 금속 입자조차 제거하면서 미세 구조를 보존합니다. 향상된 금속 회수율은 반응성이 높은 표면의 초음파 생성, 반응 속도 증가 및 향상된 질량 수송 때문입니다. 초음파 처리 프로세스는 각 매개 변수에 영향을 주어 최적화 할 수 있으므로 매우 효과적일뿐만 아니라 에너지 효율이 높습니다.
그것의 정확한 모수 통제 및 에너지 효율성은 초음파 침출을 유리하고 excelling 기술로 만듭니다 – 특히 복잡한 산 침출 및 킬레이트 기술과 비교할 때 그렇습니다.

LiCoO의 초음파 회수₂ 사용한 리튬 이온 배터리에서

초음파는 환원 침출 및 화학 침전을 지원하며, 이는 Li를 Li로 회복하는 데 사용됩니다₂공동₃ 그리고 Co (OH)로 Co₂ 폐 리튬 이온 배터리에서.
Zhang et al. (2014)은 LiCoO의 성공적인 회복을 보고합니다.₂ 초음파 반응기를 사용합니다. 600mL의 시작 용액을 준비하기 위해 그들은 10g의 유효하지 않은 LiCoO를 넣었습니다₂ 분말을 비이커에 넣고 LiOH 용액 2.0mol/L를 첨가하여 혼합하였다.
혼합물을 초음파 조사에 붓고 교반 장치를 시작하고, 교반 장치를 반응 용기의 내부에 배치하였다. 120°C로 가열한 다음 초음파 장치 800W로 설정되었고 초음파 작동 모드는 5초 ON / 2초 OFF의 펄스 듀티 사이클로 설정되었습니다. 초음파 조사를 6 시간 동안 적용 한 다음 반응 혼합물을 실온으로 냉각시켰다. 고체 잔류물을 탈이온수로 여러 번 세척하고 일정한 중량이 될 때까지 80°C에서 건조시켰다. 얻어진 샘플은 후속 테스트 및 배터리 생산을 위해 수집되었습니다. 첫 번째 사이클의 충전 용량은 134.2mAh/g이고 방전 용량은 133.5mAh/g입니다. 최초 충방전 효율은 99.5%였습니다. 40주기 후에도 방전 용량은 여전히 132.9mAh/g입니다(Zhang et al. 2014)
 

 
구연산과 같은 유기산을 사용한 초음파 침출은 효과적일 뿐만 아니라 환경 친화적입니다. 연구에 따르면 Co와 Li의 침출은 무기산 H2SO4 및 HCl보다 구연산을 사용할 때 더 효율적입니다. 사용한 리튬 이온 배터리에서 96% 이상의 Co와 거의 100% Li가 회수되었습니다. 구연산 및 아세트산과 같은 유기산이 저렴하고 생분해된다는 사실은 초음파 처리의 경제적, 환경적 이점에 기여합니다.

폐 배터리에서 금속 침출을 위한 고출력 산업용 초음파

Hielscher 초음파는 폐기물에서 금속을 침출하는 데 필요한 전력을 제공하는 매우 효율적이고 신뢰할 수있는 초음파 시스템을위한 오랜 숙련 된 공급 업체입니다. 코발트, 리튬, 니켈 및 망간과 같은 금속을 추출하여 리튬 이온 배터리를 재처리하려면 강력하고 견고한 초음파 시스템이 필수적입니다. UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) 및 UIP16000 (16kW)와 같은 Hielscher 초음파 산업용 장치는 시장에서 가장 강력하고 견고한 고성능 초음파 시스템입니다. 당사의 모든 산업용 장치는 24/7 작동에서 최대 200μm의 매우 높은 진폭으로 지속적으로 작동할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 장비의 견고 함은 중장비 및 까다로운 환경에서 24/7 작동을 허용합니다. Hielscher는 고온, 압력 및 부식성 액체를위한 특수 소노트로드 및 반응기를 공급합니다. 따라서 산업용 초음파기는 습식 제련 처리와 같은 추출 야금 기술에 가장 적합합니다.

아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.

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문헌/참고문헌

• 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.