Ultrasoon voor het recyclen van lithiumionenbatterijen
- Lithium-ionbatterijen die worden gebruikt in elektrische auto's komen nu net naar de massamarkt en daarmee moeten recyclingcapaciteiten worden ontwikkeld.
- Ultrasoon uitlogen is een efficiënte, milieuvriendelijke techniek om metalen zoals Li, Mg, Co, Ni enz. Terug te winnen uit gebruikte Li-ion-batterijen.
- De industriële ultrasone systemen van Hielscher voor uitloogtoepassingen zijn betrouwbaar en robuust en kunnen eenvoudig in bestaande recyclingfabrieken worden geïntegreerd.
Recycling van lithium-ionbatterijen
Lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt in elektrische voertuigen (EV), laptops en mobiele telefoons. Dit betekent dat gebruikte lithium-ionbatterijen een actuele uitdaging zijn op het gebied van afvalbeheer en recycling. De accu's zijn een belangrijke kostenfactor voor EV's en de verwijdering ervan is ook duur. Milieu- en economische aspecten pleiten voor een gesloten recyclinglus, omdat het batterijafval waardevolle materialen bevat en helpt om de ecologische voetafdruk van de productie van Lithium-ionbatterijen te verminderen.
Recycling van Li-ionbatterijen groeit naar een bloeiende industriesector om de toekomstige beschikbaarheid van zeldzame aardmetalen en andere batterijcomponenten te waarborgen en de milieukosten van mijnbouw te verminderen.
Industriële ultrasone uitloging
Ultrasone uitloging en metaalextractie kunnen worden toegepast op recyclingprocessen van lithium-kobaltoxide-batterijen (bijv. Van laptops, smartphones, enz.) Evenals van complexe lithium-nikkel-mangaan-kobalt-batterijen (bijv. Van elektrische voertuigen).
High-power echografie is bekend om zijn vermogen om chemische vloeistoffen en slurries te verwerken om de massaoverdracht te verbeteren en chemische reacties te initiëren.
De intense effecten van ultrasone trillingen zijn gebaseerd op het fenomeen van akoestische cavitatie. Door ultrageluid met een hoog vermogen te combineren in vloeistoffen / slurries, genereren de wisselende lagedruk- en hogedrukgolven in vloeistoffen kleine vacuümbellen. De kleine vacuümholten groeien over verschillende lagedruk / hoge drukcycli tot de implode hevig. De samenklappende vacuümbellen kunnen worden beschouwd als microreactoren waarin temperaturen tot 5000K, drukken tot 1000 atm en verwarmings- en koelingspercentages van meer dan 10-10 optreden. Verder worden sterke hydrodynamische afschuifkrachten en vloeistofstralen met een snelheid tot 280 m / s gegenereerd. Deze extreme omstandigheden van akoestische cavitatie creëren buitengewone fysische en chemische omstandigheden in anderszins koude vloeistoffen en creëren een gunstige omgeving voor chemische reacties (sonochemistry).
48kW ultrasone processor
voor veeleisende toepassingen zoals uitlogen van metalen
Ultrasoon uitlogen van metalen uit uitgeput batterijafval.
Het grote voordeel van ultrasoon uitlogen en metaalherstel is de precieze controle over de procesparameters zoals amplitude, druk en temperatuur. Met deze parameters kunnen de reactieomstandigheden exact worden aangepast aan het procesmedium en de beoogde uitvoer. Bovendien verwijdert ultrasoon uitlogen zelfs de kleinste metaaldeeltjes van het substraat, terwijl microstructuren behouden blijven. De verbeterde metaalwinning is te danken aan de ultrasone creatie van zeer reactieve oppervlakken, verhoogde reactiesnelheden en verbeterd massatransport. Sonicatieprocessen kunnen worden geoptimaliseerd door elke parameter te beïnvloeden en zijn daarom niet alleen zeer effectief, maar ook zeer energiezuinig.
Zijn nauwkeurige parametercontrole en energieefficiency maken ultrasone uitloging de gunstige en uitstekende techniek – vooral in vergelijking met gecompliceerde zuuruitspoeling en chelatietechnieken.
Ultrasoon herstel van LiCoO2 van gebruikte Lithium-Ion-batterijen
Met ultrasone trillingen helpen de reductieve uitloging en chemische neerslag, die worden gebruikt om Li te herstellen als Li2CO3 and Co as Co (OH)2 van afval lithium-ionbatterijen.
Zhang et al. (2014) rapporteren het succesvolle herstel van LiCoO2 gebruik van een ultrasone reactor. om de startoplossing van 600 ml te bereiden, plaatsten ze 10 g ongeldige LiCoO2 poeder in een bekerglas en 2,0 ml / L LiOH-oplossing toegevoegd, die werden gemengd.
Het mengsel werd in de ultrasone bestraling gegoten en de roerinrichting werd gestart, de roerinrichting werd in het inwendige van de reactiehouder geplaatst. Het werd verwarmd tot 120◦C, en vervolgens de ultrasoon apparaat was ingesteld op 800W en de ultrasone werkingsmodus was ingesteld op gepulseerde werkcycli van 5 sec. AAN / 2 sec. UIT. De ultrasone bestraling werd gedurende 6 uur aangelegd en vervolgens werd het reactiemengsel afgekoeld tot kamertemperatuur. Het vaste residu werd verschillende keren gewassen met gedeioniseerd water en gedroogd bij 80 ° C tot constant gewicht. Het verkregen monster werd verzameld voor daaropvolgende testen en batterijproductie. De laadcapaciteit in de eerste cyclus is 134,2 mAh / g en de afvoercapaciteit is 133,5 mAh / g. De eerste oplaad- en ontlaadefficiëntie was 99,5%. Na 40 cycli is de ontladingscapaciteit nog steeds 132,9 mAh / g. (Zhang et al. 2014)
Gebruikte LiCoO2-kristallen vóór (a) en na (b) ultrasone klankbehandeling bij 120 ° C gedurende 6 uur. bron: Zhang et al. 2014
Ultrasoon uitlogen met organische zuren zoals citroenzuur is niet alleen effectief, maar ook milieuvriendelijk. Uit onderzoek bleek dat de uitloging van Co en Li efficiënter is met citroenzuur dan met de anorganische zuren H2ZO4 en HCl. Meer dan 96% Co en bijna 100% Li werden gewonnen uit verbruikte lithium-ionbatterijen. Het feit dat organische zuren zoals citroenzuur en azijnzuur goedkoop en biologisch afbreekbaar zijn, draagt bij tot verdere economische en ecologische voordelen van ultrasoonapparaat.
High-Power industriële ultrasone trillingen
Hielscher Ultrasonics is uw lang ervaren leverancier voor zeer efficiënte en betrouwbare ultrasone systemen, die het vereiste vermogen leveren om metalen uit afvalmaterialen te lekken. Om li-ionbatterijen opnieuw te verwerken door metalen als kobalt, lithium, nikkel en mangaan te extraheren, zijn krachtige en robuuste ultrasone systemen essentieel. Hielscher Ultrasonics’ industriële eenheden zoals de UIP4000hdT (4kW), UIP1000000 (10kW) en UIP16000 (16kW) zijn de krachtigste en meest robuuste krachtige ultrasone systemen op de markt. Al onze industriële units kunnen continu worden gebruikt met zeer hoge amplitudes tot 200 μm in 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplituden zijn aangepaste ultrasone sonotrodes beschikbaar. De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7 gebruik mogelijk op zware en veeleisende omgevingen. Hielscher levert ook speciale sonotrodes en reactoren voor hoge temperaturen, drukken en corrosieve vloeistoffen. Dit maakt onze industriële ultrasone trillingenstoestellen het meest geschikt voor extractieve metallurgietechnieken, bijv. Hydrometallurgische behandelingen.
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:
| batch Volume | Stroomsnelheid | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10 l / min | UIP4000 |
| na | 10 tot 100 l / min | UIP16000 |
| na | grotere | cluster van UIP16000 |
Feiten die de moeite waard zijn om te weten
Lithium-ion batterijen
Lithium-ionbatterijen (LIB) zijn de verzamelnaam voor (oplaadbare) batterijen die een hoge energiedichtheid bieden en vaak worden geïntegreerd in consumentenelektronica zoals elektronische auto's, hybride auto's, laptops, mobiele telefoons, iPods, enz. In vergelijking met andere varianten van oplaadbare batterijen met vergelijkbare grootte en capaciteit, LIB's zijn aanzienlijk lichter.
In tegenstelling tot de lithiumbatterij voor eenmalig gebruik, gebruikt een LIB een geïntercaleerde lithiumverbinding in plaats van metaalhoudend lithium als elektrode. De hoofdbestanddelen van een lithium-ionbatterij zijn de elektroden – anode en kathode – en de elektrolyt.
De meeste cellen delen gemeenschappelijke componenten in termen van de elektrolyt, separator, folies en behuizing. Het belangrijkste verschil tussen celtechnologieën is het gebruikte materiaal als “actieve materialen” zoals kathode en anode. Grafiet is het meest gebruikte materiaal als anode, terwijl de kathode is gemaakt van gelaagde LiMO2 (M = Mn, Co en Ni), spinel LiMn2de4of olivine LiFePO4. De elektrolyten van elektrolytische organische vloeistoffen (bijv. LiPF6-zout opgelost in een mengsel van organische oplosmiddelen, zoals ethyleencarbonaat (EC), dimethylcarbonaat (DMC), diethylcarbonaat (DEC), ethylmethylcarbonaat (EMC), enz.) Maakt het mogelijk ionische beweging.
Afhankelijk van de positieve (kathode) en negatieve (anode) elektrodematerialen, variëren de energiedichtheid en spanning van LIB's respectievelijk.
Bij gebruik in elektrische voertuigen wordt vaak een accu (EVB) of tractiebatterij van een elektrisch voertuig gebruikt. Dergelijke tractiebatterijen worden gebruikt in heftrucks, elektrische golfkarretjes, vloerwassers, elektrische motorfietsen, elektrische auto's, vrachtwagens, bestelwagens en andere elektrische voertuigen.
Metaalrecycling van gebruikte lithium-ionbatterijen
In vergelijking met andere typen batterijen die vaak lood of cadmium bevatten, bevatten Li-ion-batterijen minder toxische metalen en worden daarom als milieuvriendelijk beschouwd. De enorme hoeveelheid gebruikte Li-ion-batterijen, die als lege batterijen uit elektrische auto's moeten worden afgevoerd, vormen echter een afvalprobleem. Daarom is een gesloten recyclinglus van Li-ion-batterijen noodzakelijk. Vanuit een economisch oogpunt kunnen metalen elementen zoals ijzer, koper, nikkel, kobalt en lithium worden teruggewonnen en opnieuw worden gebruikt bij de productie van nieuwe batterijen. Recycling zou ook een toekomstig tekort kunnen voorkomen.
Hoewel batterijen met hogere nikkelbelastingen op de markt komen, is het niet mogelijk om batterijen zonder kobalt te produceren. Het hogere nikkelgehalte brengt kosten met zich mee: met een verhoogd nikkelgehalte neemt de stabiliteit van de batterij af en wordt de levensduur van de batterij en het vermogen van snel opladen verminderd.
De groeiende vraag naar Li-ion-batterijen vraagt om steeds meer recyclingcapaciteit voor afgedankte batterijen.
Recycling proces
Batterijen van elektrische voertuigen zoals de Tesla Roadster hebben een levensduur van ongeveer 10 jaar.
Het recyclen van uitgeputte Li-ionbatterijen is een veeleisend proces omdat het gaat om hoogvoltage en gevaarlijke chemicaliën, wat gepaard gaat met de risico's van thermische uitwijking, elektrische schokken en de uitstoot van gevaarlijke stoffen.
Om een gesloten kringlooprecycling tot stand te brengen, moeten elke chemische binding en alle elementen worden gescheiden in hun afzonderlijke breuken. De energie die nodig is voor een dergelijke gesloten kringlooprecycling is echter erg duur. De meest waardevolle materialen voor herwinning zijn metalen zoals Ni, Co, Cu, Li, enz. Omdat dure mijnbouw en hoge marktprijzen van metalen componenten de recycling economisch aantrekkelijk maken.
Het recyclingproces van Li-ionbatterijen begint met het demonteren en ontladen van de batterijen. Voordat u de batterij opent, is een passivering vereist om de chemicaliën in de batterij te deactiveren. Passivering kan worden bereikt door cryogeen bevriezen of gecontroleerde oxidatie. Afhankelijk van het batterijformaat kunnen de batterijen worden gedemonteerd en gedemonteerd naar de cel. Na het demonteren en breken worden de componenten op verschillende manieren geïsoleerd (bijv. Zeven, zeven, handplukken, magnetisch, nat en ballistisch scheiden) om celomhulsels, aluminium, koper en kunststoffen uit het elektrodepoeder te verwijderen. De scheiding van de elektrodematerialen is noodzakelijk voor de stroomafwaartse processen, bijv. Hydrometallurgische behandeling.
pyrolyse
Voor pyrolytische verwerking worden versnipperde batterijen in een oven gesmolten waar kalksteen als een slakvormend middel wordt toegevoegd.
Hydrothermische processen
Hydrometallurgische verwerking is gebaseerd op zuurreacties om de zouten als metalen neer te slaan. Typische hydrometallurgische werkwijzen omvatten uitlogen, precipitatie, ionenuitwisseling, oplosmiddelextractie en elektrolyse van waterige oplossingen.
Het voordeel van hydrothermale verwerking is de hoge winningsopbrengst van + 95% Ni en Co als zouten, + 90% van Li kan worden geprecipiteerd en de rest kan tot + 80% worden teruggewonnen.
Vooral kobalt is een kritieke component in kathoden van lithium-ionbatterijen voor toepassingen met hoge energie en vermogen.
Huidige hybride auto's, zoals de Toyota Prius, maken gebruik van nikkel-metaalhydridebatterijen, die op dezelfde manier worden gedemonteerd, ontladen en gerecycled als Li-ion-batterijen.
Literatuur / Referenties
- 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.
Krachtige ultrasoonapparaat van laboratorium en bench-top tot industriële productie.