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.
  • 침출 응용 분야를위한 Hielscher 산업용 초음파 시스템은 신뢰할 수 있고 견고하며 기존 재활용 공장에 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.

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Hielscher's ultrasonicators are reliable and robust systems for the leaching of metals.

48kW 초음파 프로세서
금속 침출과 같은 까다로운 응용 분야에 적합

Pyrometallurgical 및 습식 제련 재활용 대 초음파 배터리 재활용

아래에서는 건식 야금 및 습식 제련 공정의 기존 방법을 장점과 단점에 대한 초음파 침출 기술과 비교합니다.

기존 배터리 재활용의 단점

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

  • 환경 영향: Pyrometallurgical 공정은 유해한 배출물과 오염 물질을 대기로 방출하여 대기 오염에 기여하고 잠재적으로 건강 위험을 유발합니다.
  • 재료 손실: 고온 공정은 열 분해로 인해 귀중한 재료와 금속의 손실을 초래하여 전체 회수율을 감소시킬 수 있습니다.
  • 에너지 집약적: 이러한 방법에는 일반적으로 상당한 에너지 투입이 필요하므로 운영 비용과 환경 발자국이 증가합니다.

 
습식 제련 방법 배터리 구성 요소를 용해하고 귀중한 금속을 추출하기 위해 화학적 침출을 포함합니다. 건식 야금 방법보다 환경 친화적이지만 습식 야금에는 다음과 같은 단점이 있습니다.

  • 화학 물질 사용: 침출에는 강산 또는 기타 부식성 화학 물질이 필요하므로 화학 물질 취급, 폐기물 관리 및 잠재적인 환경 오염에 대한 우려가 제기됩니다.
  • 선택성 문제: 원하는 금속의 선택적 침출을 달성하는 것은 어려울 수 있으며, 이는 낮은 회수율과 귀중한 자원의 잠재적 손실로 이어질 수 있습니다.

 

기존 기술에 비해 초음파 배터리 침출의 장점

건식 야금 및 습식 제련 재활용 기술과 비교할 때 초음파 배터리 재활용 기술은 다양한 장점으로 인해 경쟁이 치열합니다.

  1. 효율성 향상: 초음파 초음파 처리는 배터리 재료의 분해를 가속화하여 처리 시간이 짧아지고 전반적인 효율성이 높아질 수 있습니다.
  2. 향상된 복구율: 초음파 캐비테이션의 제어 된 적용은 배터리 구성 요소의 고장을 향상시켜 귀중한 금속의 회수율을 높입니다.
  3. 환경 친화적 인 : 초음파 재활용은 고온 및 가혹한 화학 물질에 대한 의존도를 줄여 환경 영향을 최소화하고 오염 물질 배출을 줄입니다.
  4. 선택적 침출: 초음파의 제어된 적용은 배터리 내의 특정 구성 요소를 표적으로 차단하여 효율적으로 분리할 수 있습니다. 다양한 재활용 가능한 배터리 화합물이 특정 초음파 강도에서 용해되어 제거되기 때문에 최적화 된 처리 매개 변수를 통해 개별 재료를 선택적으로 침출 할 수 있습니다. 이를 통해 귀중한 금속과 재료를 효율적으로 분리할 수 있습니다.
  5. 에너지 소비 감소: 습식 야금 및 특히 건식 야금 방법에 비해 초음파 재활용은 일반적으로 에너지 효율이 높아 운영 비용이 절감되고 탄소 발자국이 감소합니다.
  6. 확장성 및 유연성: 초음파 시스템은 다양한 배터리 크기와 생산 용량을 수용하기 위해 쉽게 확장 또는 축소 할 수 있습니다. 또한 배터리 재활용을 위한 초음파 는 이미 존재하는 배터리 재활용 시설에 쉽게 통합될 수 있습니다. 초음파 프로브 및 플로우 셀 반응기와 같은 다양한 전력 규모 및 일치하는 액세서리에서 쉽게 사용할 수 있는 초음파 는 배터리 구성 요소를 다양한 크기와 생산 용량으로 처리할 수 있어 재활용 공정에서 확장성과 적응성을 제공합니다.
  7. 시너지 통합: 초음파 침출은 사용 된 리튬 이온 배터리에서 귀중한 금속 및 재료의 습식 제련 침출을 강화하고 개선하기 위해 기존 습식 제련 배터리 재활용 라인에 통합 될 수 있습니다.

전반적으로, 초음파 배터리 재활용은 전통적인 건식 야금 및 습식 제련 접근법에 비해보다 환경 친화적이고 효율적이며 선택적인 방법으로 가능성을 보여줍니다.

 

Hielscher 캐스카로드의 강력한 초음파 캐비테이션

Hielscher 캐스카로드의 강력한 초음파 캐비테이션

 

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사용한 배터리의 금속 회수를 위한 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.
사용한 리튬 이온 배터리에서 금속을 회수하기 위한 산업용 다중 프로브 초음파 반응기. Ultarsonic 침출은 리튬, 코발트, 구리, 알루미늄 및 니켈의 높은 회수율을 제공합니다.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 일어나다. 또한 강력한 유체역학적 전단력과 최대 280m/s 속도의 액체 제트가 생성됩니다. 이러한 극한 조건의 음향 캐비테이션은 차가운 액체에서 특별한 물리적 및 화학적 조건을 생성하고 화학 반응에 유익한 환경을 조성합니다 (소위 sonochemistry).

사용 된 리튬 이온 배터리의 재활용에서의 초음파 침출. (확대하려면 클릭!)

다 쓴 배터리 폐기물에서 금속의 초음파 침출.

초음파 생성 된 캐비테이션은 자유 라디칼, 수산화 이온 (OH), 하이드로 늄 (H) (OH), 하이드 록실O +) 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 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)
 

프로비 타입 초음파는 사용한 리튬 이온 배터리에서 귀금속 및 재료의 침출 및 회수를 향상시킵니다. Hielscher 초음파는 재활용 수율 향상을 위해 배터리 재활용 공장에 설치할 준비가 된 턴키 초음파 를 공급합니다.

사용 된 LiCoO2 결정 (a) 및 후 (b) 120◦C에서 6 시간 동안 초음파 처리.
연구 및 이미지: ©Zhang et al. 2014

 
구연산과 같은 유기산을 사용한 초음파 침출은 효과적 일뿐만 아니라 환경 친화적입니다. 연구에 따르면 Co와 Li의 침출은 무기산 H2SO4 및 HCl보다 구연산에서 더 효율적입니다. 사용한 리튬 이온 배터리에서 96% 이상의 Co와 거의 100% Li가 회수되었습니다. 구연산 및 아세트산과 같은 유기산이 저렴하고 생분해 가능하다는 사실은 초음파 처리의 경제적 및 환경 적 이점에 기여합니다.

사용한 배터리에서 금속 침출을 위한 고출력 산업용 초음파

UIP4000hdT - Hielscher's 4kW high-performance ultrasonic system Hielscher 초음파는 폐기물에서 금속을 침출하는 데 필요한 전력을 제공하는 매우 효율적이고 신뢰할 수있는 초음파 시스템에 대한 오랜 경험이 풍부한 공급 업체입니다. 코발트, 리튬, 니켈 및 망간과 같은 금속을 추출하여 리튬 이온 배터리를 재처리하려면 강력하고 강력한 초음파 시스템이 필수적입니다. UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) 및 UIP16000 (16kW)과 같은 Hielscher 초음파 산업 장치는 시장에서 가장 강력하고 강력한 고성능 초음파 시스템입니다. 당사의 모든 산업용 장치는 24/7 작동에서 최대 200μm의 매우 높은 진폭으로 연속적으로 작동할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해, 사용자 정의 초음파 sonotrodes를 사용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 장비의 견고성은 중장비 및 까다로운 환경에서 24/7 작동을 허용합니다. Hielscher는 고온, 압력 및 부식성 액체를위한 특수 sonotrodes 및 반응기도 공급합니다. 이것은 우리의 산업용 초음파 를 추출 야금 기술, 예를 들어 습식 제련 처리에 가장 적합하게 만듭니다.

아래 표는 초음파 장비의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.

일괄 볼륨유량권장 장치
0.1 ~ 20L0.2 ~ 4L / minUIP2000hdT
10 ~ 100L2 ~ 10L / minUIP4000hdT
20 to 200L4 to 20L/minUIP6000hdT
N.A.10 ~ 100L / minUIP16000
N.A.더 큰의 클러스터 UIP16000

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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 증가. 출처 : 도이체 방크

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.

Hielscher Ultrasonics는 고성능 초음파 발생기를 제조합니다.

실험실 및 벤치 탑에서 산업 생산에 이르기까지 강력한 초음파 처리.

우리는 당신의 과정을 논의하는 것을 기쁘게 생각합니다.

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