Ultraskaņas litija jonu akumulatoru otrreizējai pārstrādei
- Litija jonu baterijas, ko izmanto elektriskajās automašīnās, tikai tagad nonāk masu tirgū, un ar to ir jāattīsta pārstrādes jaudas.
- Ultraskaņas izskalošanās ir efektīvs, videi draudzīgs paņēmiens, lai atgūtu tādus metālus kā Li, Mg, Co, Ni uc no izlietotajām litija jonu baterijām.
- Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas sistēmas lietojumprogrammu izskalošanai ir uzticamas un stabilas, un tās var viegli integrēt esošajās pārstrādes iekārtās.
Litija jonu akumulatoru otrreizēja pārstrāde
Litija jonu baterijas plaši izmanto elektriskajos transportlīdzekļos (EV), klēpjdatoros un mobilajos telefonos. Tas nozīmē, ka izlietotās litija jonu baterijas ir pašreizējais izaicinājums attiecībā uz atkritumu apsaimniekošanu un pārstrādi. Baterijas ir galvenais EBD izmaksu virzītājspēks, un to apglabāšana ir dārga. Vides un ekonomiskie aspekti push slēgtā otrreizējās pārstrādes ciklā, jo bateriju atkritumi satur vērtīgus materiālus un palīdz samazināt oglekļa nospiedumu ražošanas litija-jonu baterijas.
Litija jonu akumulatoru otrreizējā pārstrāde turpina attīstīties plaukstošajai nozares nozarei, lai nodrošinātu retzemju metālu un citu akumulatoru komponentu pieejamību nākotnē un samazinātu ieguves rūpniecības radītās vides izmaksas.
Rūpnieciskā ultraskaņas izskalošana
Ultraskaņas izskalošanās un metālu ekstrakcijas var izmantot litija kobalta oksīda bateriju pārstrādes procesiem (piemēram, no klēpjdatoriem, viedtālruņiem uc), 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.
Intensīvais jaudas ultrasonication efekts balstās uz akustiskās kavitācijas fenomenu. Savienojot lieljaudas ultraskaņu šķidrumos / vircas, mainīgie zema spiediena un augsta spiediena viļņi šķidrumos rada nelielu vakuuma burbuļu. Mazie vakuuma tukšumi palielināsies dažādos zema spiediena / augsta spiediena ciklos, līdz tiek izmainīta nežēlīgi. Slaucošos vakuuma burbuļus var uzskatīt par mikroreaktoriem, kuru temperatūra ir līdz 5000K, spiedienam līdz 1000tm, kā arī sildīšanas un dzesēšanas ātrumam virs 10-10 notikt Turklāt tiek ģenerēti spēcīgi hidrodinamiski griešanas spēki un šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 280 m / s. Šie ārkārtas akustiskās kavitācijas apstākļi rada ārkārtīgus fizikālos un ķīmiskos apstākļus citos aukstos šķidrumos un rada labvēlīgu vidi ķīmiskajām reakcijām (Sonokīmija)
48kW ultraskaņas procesors
piemēram, metālu izskalošanai
Metālu ultraskaņas izskalošanās no izsmeltiem akumulatora atkritumiem.
Ultraskaņas izskalošanās un metāla atveseļošanās lielā priekšrocība ir precīza procesa parametru, piemēram, amplitūdas, spiediena un temperatūras kontrole. Šie parametri ļauj tieši pielāgot reakcijas apstākļus procesa videi un mērķa produkcijai. Turklāt ultraskaņas izskalošanās no substrāta noņem pat vismazākās metāla daļiņas, saglabājot mikrostruktūru. Uzlabota metāla atveseļošanās ir saistīta ar ļoti reaktīvu virsmu ultraskaņas veidošanu, paaugstinātu reakcijas ātrumu un uzlabotu masu transportu. Attīrīšanas 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 labvēlīgu un izcilu tehniku – it īpaši, salīdzinot ar sarežģītu skābes izskalošanos un helātu veidošanas metodēm.
LiCoO ultraskaņas atgūšana2 no iztērētās litija jonu akumulatoriem
Ultrasonication palīdz samazināt izskalošanos un ķīmiskos nogulsnējumus, kurus izmanto, lai atgūtu Li kā Li2CO3 un Co as Co (OH)2 no litija jonu bateriju atkritumiem.
Zhang et al. (2014) ziņo par veiksmīgu LiCoO atgūšanu2 izmantojot ultraskaņas reaktoru. Lai sagatavotu 600 ml sākuma šķīdumu, viņi ievietoja 10 g nederīgas LiCoO2 pulveris vārglāzē un pievieno 2,0 mol / L LiOH šķīdumu, kas tika sajaukti.
Maisījums tika ielej ultraskaņas staru iedarbībā un sākās maisīšanas ierīce, maisīšanas ierīce tika novietota reakcijas trauka iekšpusē. Tas tika uzsildīts līdz 120 ° C, un tad Ultraskaņas ierīce tika iestatīts uz 800W, un ultraskaņas darbības režīms tika iestatīts uz 5 sekunžu impulsa darba ciklu. ON / 2 sek. Izslēgts. Ultraskaņas starojums tika piemērots 6 stundas, un pēc tam reakcijas maisījums atdzesēts līdz istabas temperatūrai. Cieto atlikumu vairākas reizes nomazgā ar dejonizētu ūdeni un žāvē 80 ° C temperatūrā līdz pat nemainīgam svaram. Iegūtais paraugs tika savākts vēlākai testēšanai un akumulatora ražošanai. Pirmā cikla uzlādes jauda ir 134,2 mAh / g, un izmešanas jauda ir 133,5 mAh / g. Pirmreizējā uzlādes un izlādes efektivitāte bija 99,5%. Pēc 40 cikliem izplūdes spēja joprojām ir 132.9 mAh / g. (Zhang et al., 2014)
Lietoti LiCoO2 kristāli pirms (a) un pēc (b) apstrādes ar ultraskaņu 120 ° C temperatūrā 6 stundas. avots: Zhang et al. 2014
Ultraskaņas izskalošanās ar organiskām skābēm, piemēram, citronskābi, ir ne tikai efektīva, bet arī videi draudzīga. Pētījumos konstatēts, 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 iegūti no izlietotajām litija jonu baterijām. Fakts, ka organiskās skābes, piemēram, citronskābe un etiķskābe, ir lēti un bioloģiski noārdāmi, veicina ultravioletā aparāta apstrādes papildu ekonomiskās un vides priekšrocības.
Lieljaudas industriālā ultraskaņa
Hielscher Ultrasonics ir jūsu ilggadējs piegādātājs ļoti efektīvām un uzticamām ultraskaņas sistēmām, kas nodrošina nepieciešamo jaudu metālu izskalošanai no atkritumu materiāliem. Lai pārstrādātu litija jonu baterijas, ekstrahējot metālus, tādus kā kobalts, litijs, niķelis un mangāns, ir nepieciešamas jaudīgas un stabilas ultraskaņas sistēmas. Hielscher Ultrasonics’ rūpnieciskās vienības, piemēram, UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) un UIP16000 (16kW) ir visjaudīgākās un spēcīgākās augstas efektivitātes ultraskaņas sistēmas tirgū. Visas mūsu industriālās vienības var nepārtraukti palaist ar ļoti augstu amplitūdu līdz 200 μm 24 stundas diennaktī. Vēl lielākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes. Hielscheras ultraskaņas iekārtu robustums nodrošina 24 stundas diennaktī ātru un smagu darbu. Hielscher piegādā īpašus sonotrodes un reaktorus arī augstām temperatūrām, spiedieniem un korozīviem šķidrumiem. Tas padara mūsu rūpnieciskos ultraskaņas aparātus vispiemērotākos ekstrakcijas metālapstrādes tehnikās, piemēram, hidrometalurģiskajā apstrādē.
Zemāk redzamā tabula sniedz norādes par mūsu ultraskaņas aparātu aptuveno apstrādes jaudu:
| partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamie ierīces |
|---|---|---|
| 0.1 līdz 20L | 0.2 līdz 4 l / min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100 l | 2 līdz 10 l / min | UIP4000 |
| nav | | 10 līdz 100 l / min | UIP16000 |
| nav | | lielāks | klasteris UIP16000 |
Literatūra / Literatūras saraksts
- Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): litija un kobalta atgūšana no izlietotajām litija jonu baterijām, izmantojot organiskās skābes: procesu optimizācija un kinētiskie aspekti. Atkritumu apsaimniekošana 64, 2017. 244-254.
- Shin S.-M .; Lee D.-W .; Wang J.-P. (2018): niķeļa nanodaļļas pulvera izgatavošana no LiNiO2 no iztērētā litija jonu akumulatora. Metāli 8, 2018.
- Zhang Z., Viņš W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): LiCoO ultraskaņas palīdzību hidrotermiskā renovācija2 no izlietoto litija jonu akumulatoru katoda. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
- Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Litija kobalta oksīda materiāla atgūšana no izlietoto litija jonu bateriju katoda. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.
Fakti ir vērts zināt
Litija jonu baterijas
Litija jonu akumulatori (LIB) ir kolektīvais termins (uzlādējamām) baterijām, kas nodrošina augstu enerģijas blīvumu un bieži tiek integrētas plaša patēriņa elektroniskajā ierīcē, piemēram, elektroniskās automašīnas, hibrīdvagoni, klēpjdatori, mobilie tālruņi, iPod un citi. Salīdzinājumā ar Citi akumulatoru baterijas ar līdzīgu izmēru un ietilpību, LIB ir ievērojami vieglākas.
Atšķirībā no vienreizlietojamās litija primārās baterijas, LIB izmanto kā elektrodu metāla litija vietā interaktīvu litija savienojumu. Galvenie komponenti litija jonu akumulatoru ir tā elektrodi – anoda un katoda – un elektrolītu.
Lielākajai daļai šūnu ir kopīgas sastāvdaļas elektrolīta, separatora, folijas un korpusa izteiksmē. Galvenā atšķirība starp šūnu tehnoloģijām ir materiāls, ko izmanto kā “aktīvie materiāli” piemēram, katodu un anodu. Grafīts ir visbiežāk izmantotais materiāls kā anods, bet katode ir izgatavota no slāņveida LiMO2 (M = Mn, Co un Ni), spinel LiMn2O4, vai olivīns LiFePO4. Elektrolīta organiskie šķidrie elektrolīti (piemēram, LiPF6 sāls, kas izšķīdināts organisko šķīdinātāju maisījumā, piemēram, etilēnkarbonāts (EK), dimetilkarbonāts (DMC), dietilēkarbonāts (DEC), etilmetilkarbonāts (EMC) utt.) Ļauj jonu kustība.
Atkarībā no pozitīva (katoda) un negatīvā (anoda) elektroda materiāliem, LIB enerģijas blīvums un spriegums mainās attiecīgi.
Izmantojot elektriskos transportlīdzekļos, bieži tiek izmantota elektromobiļa baterija (EVB) vai vilces baterija. Šādas vilces baterijas tiek izmantotas iekrāvēji, elektriskie golfa ratiņi, grīdas skruberi, elektriskie motocikli, elektromobiļi, kravas automašīnas, furgoni un citi elektriskie transportlīdzekļi.
Metāla pārstrāde no iztērētajām litija jonu baterijām
Salīdzinājumā ar citiem bateriju veidiem, kas bieži satur svinu vai kadmiju, litija jonu baterijās ir mazāk toksiski metāli, tāpēc tos uzskata par videi draudzīgiem. Tomēr lielais izlietoto litija jonu bateriju daudzums, kas būs jāuzglabā kā elektrisko automobiļu izlietotās baterijas, rada atkritumu problēmu. Tādēļ ir vajadzīga litija jonu bateriju slēgta pārstrādes cilpa. No ekonomiskā viedokļa tādus metāla elementus kā dzelzs, varš, niķelis, kobalts un litijs var atgūt un atkārtoti izmantot jaunu bateriju ražošanā. Pārstrāde arī varētu novērst turpmāku trūkumu.
Lai gan baterijas ar augstāku niķeļa slodzi nonāk tirgū, nav iespējams ražot baterijas bez kobalta. Augstāks niķeļa saturs ir atkarīgs no izmaksām. Ar palielinātu niķeļa saturu akumulatora stabilitāte samazinās, tādējādi samazinot tā cikla ilgumu un ātru uzlādi.
Pieaugot litija jonu bateriju pieprasījumam, tiek pieprasīta bateriju atkritumu atkārtotas pārstrādes jaudas palielināšana.
Pārstrādes process
Elektrisko transportlīdzekļu, piemēram, Tesla Roadster baterijas, aptuvenais kalpošanas laiks ir 10 gadi.
Izsmidzinātās litija jonu bateriju pārstrāde ir prasīgs process, jo ir iesaistītas augsta sprieguma un bīstamās ķimikālijas, kas rada termisku bēgumu, strāvas triecienu un bīstamu vielu emisijas risku.
Lai izveidotu slēgtas cilpas pārstrādi, katra ķīmiskā saite un visi elementi jāšķiro atsevišķās daļās. Tomēr enerģija, kas vajadzīga šāda slēgtā cikla pārstrādei, ir ļoti dārga. Visvērtīgākie reģenerācijas materiāli ir metāli, piemēram, Ni, Co, Cu, Li uc, jo dārgās ieguves un metālu sastāvdaļu augstās cenas padara pārstrādi ekonomiski pievilcīgu.
Li-ion bateriju pārstrādes process sākas ar bateriju demontāžu un izlādi. Pirms akumulatora atvēršanas, akumulatora ķimikāliju deaktivizēšanai ir nepieciešama pasivācija. Passivāciju var panākt ar kriogēno sasalšanu vai kontrolētu oksidēšanu. Atkarībā no akumulatora izmēra baterijas var demontēt un demontēt līdz šūnai. Pēc demontāžas un sasmalcināšanas detaļas izolē ar vairākām metodēm (piemēram, skrīnings, sijāšana, roku izvēle, magnētiska, slapja un balistiska atdalīšana), lai no elektrodu pulvera noņemtu šūnu apvalkus, alumīniju, varu un plastmasu. Elektrodu materiālu atdalīšana ir vajadzīga pakārtotajiem procesiem, piemēram, hidrometalurģiskajai apstrādei.
Pirolīze
Pirolītiskai apstrādei smalcinātas baterijas tiek kausētas krāsnī, kur kā kaļķi tiek pievienots kā sārņus veidojošs līdzeklis.
Hidrotermiskie procesi
Hidrometalurģiskā apstrāde ir balstīta uz skābām reakcijām, lai sadedzinātu sāļus kā metālus. Tipiski hidrometalurģiskie procesi ietver izskalošanos, nokrišanu, jonu apmaiņu, šķīdinātāju ekstrakciju un ūdens šķīdumu elektrolīzi.
Hidrotermiskās apstrādes priekšrocība ir augstā reģenerācijas iznākums + 95% Ni un Co kā sāļi, +90% Li var izgulsnēties, bet pārējo var atgūt līdz + 80%.
Jo īpaši kobalts ir kritiskie komponenti litija jonu bateriju katodos, kas paredzēti augstas enerģijas un enerģijas patēriņam.
Pašreizējās hibrīdās automašīnas, piemēram, Toyota Prius, izmanto niķeļa metāla hidrīda baterijas, kuras demontē, izlādē un pārstrādā tāpat kā litija jonu baterijas.
Spēcīga ultraskaņas apstrāde no laboratorijas un sols uz rūpniecisko ražošanu.