Ultrasonics litija jonu bateriju pārstrādei
- Elektromobiļos izmantotie litija jonu akumulatori nupat nonāk masu tirgū, un līdz ar to ir jāattīsta pārstrādes jaudas.
- Ultraskaņas izskalošanās ir efektīva, videi draudzīga tehnika, lai atgūtu tādus metālus kā Li, Mg, Co, Ni utt.
- Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas sistēmas izskalošanās lietojumiem ir uzticamas un izturīgas, un tās var viegli integrēt esošajās pārstrādes rūpnīcās.
Litija jonu bateriju reciklēšana
Litija jonu akumulatori tiek plaši izmantoti elektriskajos transportlīdzekļos (EV), klēpjdatoros un mobilajos tālruņos. Tas nozīmē, ka izlietotas litija jonu baterijas ir aktuāla problēma atkritumu apsaimniekošanas un pārstrādes jomā. Baterijas ir galvenais ETL izmaksu virzītājspēks, un arī to utilizācija ir dārga. Vides un ekonomiskie aspekti veicina slēgtu reciklēšanas ciklu, jo akumulatoru atkritumi satur vērtīgus materiālus un palīdz samazināt litija jonu akumulatoru ražošanas radīto oglekļa pēdu.
Litija jonu bateriju reciklēšana kļūst par plaukstošu rūpniecības nozari, lai nodrošinātu retzemju metālu un citu akumulatoru komponentu pieejamību nākotnē un samazinātu ieguves vides izmaksas.

48kW ultraskaņas procesors
prasīgiem lietojumiem, piemēram, metālu izskalošanai
Pirometalurģiskā un hidrometalurģiskā pārstrāde vs ultraskaņas akumulatoru pārstrāde
Zemāk mēs salīdzinām parastās pirometalurģisko un hidrometalurģisko procesu metodes ar ultraskaņas izskalošanās tehniku attiecībā uz priekšrocībām un trūkumiem.
Parastās akumulatoru reciklēšanas trūkumi
Tradicionālās metodes, ko izmanto litija jonu akumulatoru pārstrādei, ietver pirometalurģijas un hidrometalurģijas procesus.
Pirometalurģijas metodes ietver augstas temperatūras procesus, piemēram, kausēšanu vai sadedzināšanu. Baterijas tiek pakļautas ārkārtējam karstumam, izraisot organisko komponentu izdegšanu, un atlikušās metāla sastāvdaļas tiek izkausētas un atdalītas. Tomēr šīm metodēm ir daži trūkumi:
- Ietekme uz vidi: Pirometalurģijas procesi atmosfērā izdala kaitīgas emisijas un piesārņotājus, veicinot gaisa piesārņojumu un potenciāli apdraudot veselību.
- Materiālu zudums: Augstas temperatūras procesi var izraisīt vērtīgu materiālu un metālu zudumu termiskās degradācijas dēļ, samazinot kopējo reģenerācijas ātrumu.
- Energoietilpīgs: Šīs metodes parasti prasa ievērojamu enerģijas ieguldījumu, kas palielina darbības izmaksas un vides pēdas nospiedumu.
Hidrometalurģijas metodes ietver ķīmisku izskalošanos, lai izšķīdinātu akumulatora komponentus un iegūtu vērtīgus metālus. Lai gan hidrometalurģija ir videi draudzīgāka nekā pirometalurģijas metodes, tai ir savi trūkumi:
- Ķīmiskais lietojums: Izskalošanai ir nepieciešamas stipras skābes vai citas kodīgas ķīmiskas vielas, kas rada bažas par ķīmisko vielu apstrādi, atkritumu apsaimniekošanu un iespējamo vides piesārņojumu.
- Selektivitātes izaicinājumi: Var būt grūti panākt vēlamo metālu selektīvu izskalošanos, kas noved pie zemākiem reģenerācijas rādītājiem un iespējamiem vērtīgu resursu zaudējumiem.
Ultraskaņas akumulatora izskalošanās priekšrocības salīdzinājumā ar parastajām metodēm
Salīdzinot ar abiem, pirometalurģijas un hidrometalurģijas pārstrādes metodes, ultraskaņas akumulatoru pārstrādes tehnika konkurē dažādu priekšrocību dēļ:
- Uzlabota efektivitāte: Ultraskaņas ultraskaņas apstrāde var paātrināt akumulatora materiālu sadalīšanos, kā rezultātā tiek īsāks apstrādes laiks un augstāka vispārējā efektivitāte.
- Uzlaboti atgūšanas rādītāji: Kontrolēta ultraskaņas kavitācijas pielietošana uzlabo akumulatora komponentu sadalījumu, palielinot vērtīgo metālu atgūšanas rādītājus.
- Videi draudzīgs: Ultraskaņas pārstrāde samazina paļaušanos uz augstām temperatūrām un skarbām ķīmiskām vielām, samazinot ietekmi uz vidi un samazinot piesārņotāju emisijas.
- Selektīvā izskalošanās: Kontrolēta ultraskaņas pielietošana ļauj mērķtiecīgi traucēt konkrētus komponentus akumulatorā, tos efektīvi atdalot. Tā kā dažādi pārstrādājami akumulatoru savienojumi tiek noņemti un izšķīdināti noteiktā ultraskaņas intensitātē, optimizēti apstrādes parametri ļauj selektīvi izskalot atsevišķus materiālus. Tas atvieglo vērtīgu metālu un materiālu efektīvu atdalīšanu.
- Samazināts enerģijas patēriņš: Salīdzinot ar abiem, hidrometalurģijas un jo īpaši pirometalurģijas metodēm, ultraskaņas pārstrāde parasti ir energoefektīvāka, kā rezultātā samazinās ekspluatācijas izmaksas un samazināta oglekļa pēda.
- Mērogojamība un elastība: Ultraskaņas sistēmas var viegli palielināt vai samazināt, lai pielāgotos dažādiem akumulatoru izmēriem un ražošanas jaudām. Turklāt ultrasonikatorus akumulatoru pārstrādei var viegli integrēt jau esošajās akumulatoru pārstrādes iekārtās. Viegli pieejams dažādos jaudas skalos un atbilstošos piederumos, piemēram, ultraskaņas zondes un plūsmas šūnu reaktoros, ultrasonikatori var apstrādāt baterijas komponentus dažādos izmēros un ražošanas jaudās, nodrošinot mērogojamību un pielāgojamību pārstrādes procesos.
- Sinerģiska integrācija: Ultraskaņas izskalošanos var integrēt esošajās hidrometalurģijas akumulatoru pārstrādes līnijās, lai pastiprinātu un uzlabotu vērtīgo metālu un materiālu hidrometalurģisko izskalošanos no izlietotām litija jonu baterijām.
Kopumā ultraskaņas akumulatoru pārstrāde parāda solījumu kā videi draudzīgāku, efektīvāku un selektīvāku metodi, salīdzinot ar tradicionālajām pirometalurģijas un hidrometalurģijas pieejām.
Rūpnieciskā ultraskaņas izskalošanās metāla atgūšanai no izlietotām baterijām
Ultraskaņas izskalošanos un metāla ekstrakciju var izmantot litija kobalta oksīda bateriju pārstrādes procesos (piemēram, no klēpjdatoriem, viedtālruņiem utt.), Kā arī sarežģītām litija-niķeļa-mangāna-kobalta baterijām (piemēram, no elektriskajiem transportlīdzekļiem).
Lieljaudas ultraskaņa ir labi pazīstama ar savu spēju apstrādāt ķīmiskos šķidrumus un vircas, lai uzlabotu masas pārnesi un uzsāktu ķīmiskās reakcijas.
Jaudas ultrasonication intensīvā ietekme ir balstīta uz akustiskās kavitācijas fenomenu. Savienojot lieljaudas ultraskaņu šķidrumos / vircās, mainīgie zema spiediena un augstspiediena viļņi šķidrumos rada mazus vakuuma burbuļus. Mazie vakuuma tukšumi aug dažādos zema spiediena / augstspiediena ciklos, līdz implode vardarbīgi. Sabrukušos vakuuma burbuļus var uzskatīt par mikroreaktoriem, kuros temperatūra ir līdz 5000K, spiediens līdz 1000atm un sildīšanas un dzesēšanas ātrums pārsniedz 10-10 Rasties. Turklāt tiek radīti spēcīgi hidrodinamiskie bīdes spēki un šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 280 m/s. Šie ekstremālie akustiskās kavitācijas apstākļi rada ārkārtas fizikālos un ķīmiskos apstākļus citādi aukstos šķidrumos un rada labvēlīgu vidi ķīmiskām reakcijām (tā sauktajiem Sonochemistry).

Metālu ultraskaņas izskalošanās no izsmeltiem akumulatora atkritumiem.
Ultraskaņas izskalošanās un metāla atgūšanas lielā priekšrocība ir precīza procesa parametru kontrole, piemēram, amplitūda, spiediens un temperatūra. Šie parametri ļauj precīzi pielāgot reakcijas apstākļus procesa videi un mērķa izvadei. Turklāt ultraskaņas izskalošanās no substrāta noņem pat mazākās metāla daļiņas, vienlaikus saglabājot mikrostruktūras. Uzlabotā metāla atgūšana ir saistīta ar ļoti reaktīvu virsmu ultraskaņas izveidi, paaugstinātu reakcijas ātrumu un uzlabotu masu transportēšanu. Ultraskaņas procesus var optimizēt, ietekmējot katru parametru, un tāpēc tie ir ne tikai ļoti efektīvi, bet arī ļoti energoefektīvi.
Tās precīza parametru kontrole un energoefektivitāte padara ultraskaņas izskalošanos par labvēlīgu un izcilu tehniku – it īpaši, ja salīdzina ar sarežģītām skābes izskalošanās un helātu metodēm.
LiCoO ultraskaņas atgūšana2 no izlietotām litija jonu baterijām
Ultrasonication palīdz reducējošai izskalošanai un ķīmiskiem nokrišņiem, kurus izmanto, lai atgūtu Li kā Li2CO3 un Co kā Co(OH)2 no litija jonu bateriju atkritumiem.
(2014) ziņo par LiCoO veiksmīgu atveseļošanos2 izmantojot ultraskaņas reaktoru. lai sagatavotu 600 ml sākuma šķīdumu, viņi ievietoja 10 g nederīga LiCoO2 pulveris vārglāzē un pievienots 2,0mol/l LiOH šķīduma, kas tika sajaukts.
Maisījumu ielej ultraskaņas apstarošanā un sākās maisīšanas ierīce, maisīšanas ierīce tika ievietota reakcijas trauka iekšpusē. Tas tika uzkarsēts līdz 120◦C, un pēc tam Ultraskaņas ierīce tika iestatīts uz 800W, un ultraskaņas darbības režīms tika iestatīts uz impulsa darba cikliem 5 sek. Ultraskaņas apstarošana tika veikta 6h, un pēc tam reakcijas maisījums atdzesēja līdz istabas temperatūrai. Cieto atlikumu vairākas reizes mazgāja ar dejonizētu ūdeni un žāvēja 80 ° C temperatūrā līdz nemainīgam svaram. Iegūtais paraugs tika savākts turpmākai testēšanai un akumulatoru ražošanai. Uzlādes jauda pirmajā ciklā ir 134.2mAh/g un izlādes jauda ir 133.5mAh/g. Pirmo reizi uzlādes un izlādes efektivitāte bija 99,5%. Pēc 40 cikliem izlādes jauda joprojām ir 132.9mAh / g. (Zhang et al. 2014)

Lietoti LiCoO2 kristāli pirms (a) un pēc (b) ultraskaņas apstrādes 120◦C temperatūrā 6h.
Pētījums un attēli: ©Zhang et al. 2014
Ultraskaņas izskalošanās ar organiskām skābēm, piemēram, citronskābi, ir ne tikai efektīva, bet arī videi draudzīga. Pētījumi atklāja, ka Co un Li izskalošanās ir efektīvāka ar citronskābi nekā ar neorganiskajām skābēm H2SO4 un HCl. Vairāk nekā 96% Co un gandrīz 100% Li tika atgūti no izlietotām litija jonu baterijām. Fakts, ka organiskās skābes, piemēram, citronskābe un etiķskābe, ir lētas un bioloģiski noārdāmas, veicina turpmākas ekonomiskās un vides priekšrocības, ko rada ultraskaņas apstrāde.
Lieljaudas rūpnieciskā ultraskaņa metāla izskalošanai no izlietotām baterijām
Hielscher Ultrasonics ir jūsu ilgi pieredzējis piegādātājs ļoti efektīvām un uzticamām ultraskaņas sistēmām, kas nodrošina nepieciešamo jaudu, lai izskalotu metālus no atkritumiem. Lai pārstrādātu litija jonu baterijas, ekstrahējot tādus metālus kā kobalts, litijs, niķelis un mangāns, būtiskas ir jaudīgas un izturīgas ultraskaņas sistēmas. Hielscher Ultrasonics rūpnieciskās vienības, piemēram, UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) un UIP16000 (16kW), ir visspēcīgākās un izturīgākās augstas veiktspējas ultraskaņas sistēmas tirgū. Visas mūsu rūpnieciskās vienības var nepārtraukti darbināt ar ļoti augstām amplitūdām līdz 200 μm 24/7 darbībā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes. Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība ļauj 24/7 darboties lieljaudas režīmā un prasīgā vidē. Hielscher piegādā īpašus sonotrodes un reaktorus arī augstām temperatūrām, spiedienam un kodīgiem šķidrumiem. Tas padara mūsu rūpnieciskos ultrasonikatorus vispiemērotākos ekstrakcijas metalurģijas metodēm, piemēram, hidrometalurģijas ārstēšanai.
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
---|---|---|
0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
20 līdz 200L | 4 līdz 20L/min | UIP6000hdT |
n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Fakti, kurus ir vērts zināt
Litija jonu baterijas
Litija jonu akumulatori (LIB) ir kolektīvs termins (atkārtoti uzlādējamiem) akumulatoriem, kas piedāvā augstu enerģijas blīvumu un bieži tiek integrēti plaša patēriņa elektronikā, piemēram, elektroniskajās automašīnās, hibrīdautomobiļos, klēpjdatoros, mobilajos tālruņos, iPod utt. Salīdzinot ar citiem uzlādējamo bateriju variantiem ar līdzīgu izmēru un ietilpību, LIB ir ievērojami vieglāki.
Atšķirībā no vienreizlietojamā litija primārā akumulatora, LIB kā elektrodu izmanto interkalētu litija savienojumu, nevis metālisku litiju. Litija jonu akumulatora galvenās sastāvdaļas ir tā elektrodi – anods un katods – un elektrolīts.
Lielākajai daļai šūnu ir kopīgas sastāvdaļas elektrolīta, separatora, folijas un korpusa ziņā. Galvenā atšķirība starp šūnu tehnoloģijām ir materiāls, ko izmanto kā “Aktīvie materiāli” piemēram, katods un anods. Grafīts ir visbiežāk izmantotais materiāls kā anods, savukārt katods ir izgatavots no slāņveida LiMO2 (M = Mn, Co un Ni), spinel LiMn2O4, vai olivīns LiFePO4. Elektrolītu organiskie šķidrie elektrolīti (piemēram, LiPF6 sāls, kas izšķīdināts organisko šķīdinātāju maisījumā, piemēram, etilēnkarbonāts (EC), dimetilkarbonāts (DMC), dietilkarbonāts (DEC), etilmetilkarbonāts (EMS) utt.) ļauj jonu kustībai.
Atkarībā no pozitīvā (katoda) un negatīvā (anoda) elektrodu materiāliem LIB enerģijas blīvums un spriegums attiecīgi atšķiras.
Lietojot elektriskajos transportlīdzekļos, bieži tiek izmantots elektrisko transportlīdzekļu akumulators (EVB) vai vilces akumulators. Šādas vilces baterijas tiek izmantotas iekrāvējos, elektriskajos golfa ratiņos, grīdas skruberos, elektriskajos motociklos, elektriskajos automobiļos, kravas automašīnās, furgonos un citos elektriskajos transportlīdzekļos.
Metāla pārstrāde no izlietotām litija jonu baterijām
Salīdzinot ar cita veida akumulatoriem, kas bieži satur svinu vai kadmiju, litija jonu akumulatori satur mazāk toksiskus metālus un tāpēc tiek uzskatīti par videi draudzīgiem. Tomēr milzīgais izlietoto litija jonu akumulatoru daudzums, kas būs jāiznīcina kā izlietoti akumulatori no elektromobiļiem, rada atkritumu problēmu. Tāpēc ir nepieciešams slēgts litija jonu bateriju pārstrādes cikls. No ekonomiskā viedokļa metāla elementus, piemēram, dzelzi, varu, niķeli, kobaltu un litiju, var atgūt un atkārtoti izmantot jaunu bateriju ražošanā. Pārstrāde varētu novērst arī turpmāku trūkumu.
Lai gan tirgū nonāk baterijas ar lielāku niķeļa slodzi, nav iespējams ražot baterijas bez kobalta. Augstāks niķeļa saturs rada izmaksas: palielinoties niķeļa saturam, akumulatora stabilitāte tiek samazināta un tādējādi tiek samazināts tā cikla kalpošanas laiks un ātrās uzlādes spēja.

Pieaugošais pieprasījums pēc litija jonu akumulatoriem prasa palielināt bateriju atkritumu reciklēšanas jaudu.
Pārstrādes process
Elektrisko transportlīdzekļu, piemēram, Tesla Roadster, akumulatoru aptuvenais kalpošanas laiks ir 10 gadi.
Izlietoto litija jonu akumulatoru pārstrāde ir sarežģīts process, jo ir iesaistītas augstsprieguma un bīstamas ķīmiskas vielas, kas saistītas ar termiskās bēgšanas, elektriskās strāvas trieciena un bīstamu vielu emisijas risku.
Lai izveidotu slēgta cikla pārstrādi, katra ķīmiskā saite un visi elementi ir jāsadala to atsevišķās frakcijās. Tomēr enerģija, kas nepieciešama šādai slēgta cikla pārstrādei, ir ļoti dārga. Visvērtīgākie reģenerācijas materiāli ir tādi metāli kā Ni, Co, Cu, Li utt., Jo dārga ieguve un augstas metāla sastāvdaļu tirgus cenas padara pārstrādi ekonomiski pievilcīgu.
Litija jonu bateriju pārstrādes process sākas ar bateriju demontāžu un izlādi. Pirms akumulatora atvēršanas ir nepieciešama pasivācija, lai inaktivētu akumulatorā esošās ķīmiskās vielas. Pasivāciju var panākt ar kriogēno sasaldēšanu vai kontrolētu oksidāciju. Atkarībā no akumulatora izmēra baterijas var demontēt un izjaukt līdz šūnai. Pēc demontāžas un sasmalcināšanas sastāvdaļas izolē ar vairākām metodēm (piemēram, sijāšanu, sijāšanu, savākšanu ar rokām, magnētisko, mitro un ballistisko atdalīšanu), lai no elektrodu pulvera noņemtu šūnu apvalkus, alumīniju, varu un plastmasu. Elektrodu materiālu atdalīšana ir nepieciešama pakārtotajiem procesiem, piemēram, hidrometalurģiskajai apstrādei.
pirolīze
Pirolītiskai apstrādei sasmalcinātas baterijas izkausē krāsnī, kur kaļķakmens tiek pievienots kā izdedžus veidojošs līdzeklis.
Hidrotermiskie procesi
Hidrometalurģiskā apstrāde balstās uz skābes reakcijām, lai nogulsnētu sāļus kā metālus. Tipiski hidrometalurģiskie procesi ietver izskalošanos, nogulsnēšanu, jonu apmaiņu, šķīdinātāju ekstrakciju un ūdens šķīdumu elektrolīzi.
Hidrotermiskās apstrādes priekšrocība ir augstais reģenerācijas iznākums +95% Ni un Co kā sāļi, +90% Li var nogulsnēt, bet pārējo var atgūt līdz +80%.
Īpaši kobalts ir kritisks komponents litija jonu akumulatoru katodos, kas paredzēti lielas enerģijas un jaudas lietojumiem.
Pašreizējie hibrīdautomobiļi, piemēram, Toyota Prius, izmanto niķeļa metāla hidrīda akumulatorus, kas tiek demontēti, izlādēti un pārstrādāti līdzīgi kā litija jonu akumulatori.
Literatūra/Atsauces
- 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.

Spēcīga ultraskaņas apstrāde no laboratorijas un stenda līdz rūpnieciskai ražošanai.