Ultradźwięki do recyklingu baterii litowo-jonowych
- Akumulatory litowo-jonowe stosowane w samochodach elektrycznych dopiero teraz wchodzą na rynek masowy, a wraz z nimi należy opracować możliwości recyklingu.
- Ługowanie ultradźwiękowe jest wydajną, przyjazną dla środowiska techniką odzyskiwania metali, takich jak Li, Mg, Co, Ni itp. Ze zużytych akumulatorów litowo-jonowych.
- Przemysłowe systemy ultradźwiękowe Hielschera do zastosowań do ługowania są niezawodne i solidne i można je łatwo zintegrować z istniejącymi zakładami recyklingu.
Recykling baterii litowo-jonowych
Akumulatory litowo-jonowe są szeroko stosowane w pojazdach elektrycznych (EV), laptopach i telefonach komórkowych. Oznacza to, że zużyte baterie litowo-jonowe stanowią aktualne wyzwanie w zakresie gospodarki odpadami i recyklingu. Akumulatory są głównym czynnikiem kosztotwórczym dla pojazdów elektrycznych, a ich utylizacja jest również kosztowna. Aspekty ekologiczne i ekonomiczne przemawiają za zamkniętą pętlą recyklingu, ponieważ odpady akumulatorów zawierają cenne materiały i pomagają zmniejszyć ślad węglowy produkcji akumulatorów litowo-jonowych.
Recykling akumulatorów litowo-jonowych rozwija się w prężnie rozwijającym się sektorze przemysłowym w celu zapewnienia przyszłej dostępności metali ziem rzadkich i innych komponentów baterii oraz w celu zmniejszenia środowiskowych kosztów eksploatacji.
Przemysłowe ługowanie ultradźwiękowe
Ultradźwiękowe ługowanie i ekstrakcja metali mogą być stosowane w procesach recyklingu akumulatorów litowo-kobaltowych (np. Z laptopów, smartfonów itp.), A także złożonych baterii litowo-niklowo-manganowo-kobaltowych (np. Z pojazdów elektrycznych).
USG o dużej mocy jest dobrze znane ze swojej zdolności do przetwarzania płynów i zawiesin chemicznych w celu poprawy transferu masy i inicjowania reakcji chemicznych.
Intensywne efekty ultradźwięków mocy są oparte na zjawisku kawitacji akustycznej. Dzięki połączeniu ultradźwięków dużej mocy w ciecze / zawiesiny, naprzemienne fale niskociśnieniowe i wysokociśnieniowe w cieczach generują małe pęcherzyki próżniowe. Małe próżniowe pustki rosną w różnych cyklach niskiego ciśnienia / wysokiego ciśnienia, aż implodują gwałtownie. Zapadające się pęcherzyki próżniowe można uznać za mikroreaktory, w których temperatura dochodzi do 5000K, ciśnienia do 1000atm, a temperatury ogrzewania i chłodzenia powyżej 10.-10 pojawić się. Ponadto generowane są silne hydrodynamiczne siły ścinające i strumienie cieczy o prędkości do 280 m / s. Te ekstremalne warunki akustycznej kawitacji powodują niezwykłe fizyczne i chemiczne warunki w zimnych cieczach i tworzą korzystne środowisko dla reakcji chemicznych (przyspieszenie reakcji chemycznych (sonochemia).).
48kW procesor ultradźwiękowy
do wymagających zastosowań, takich jak ługowanie metali
Ultradźwiękowe ługowanie metali z wyczerpanych akumulatorów.
Ogromną zaletą ługowania ultradźwiękowego i odzyskiwania metalu jest precyzyjna kontrola parametrów procesu, takich jak amplituda, ciśnienie i temperatura. Parametry te pozwalają dostosować warunki reakcji dokładnie do medium procesowego i docelowej wydajności. Ponadto ługowanie ultradźwiękowe usuwa nawet najmniejsze cząstki metalu z podłoża, zachowując mikrostruktury. Zwiększone odzyskiwanie metali wynika z ultradźwiękowego tworzenia wysoce reaktywnych powierzchni, zwiększonych szybkości reakcji i ulepszonego transportu masy. Procesy sonikacyjne można zoptymalizować, wpływając na każdy parametr, a zatem są nie tylko bardzo skuteczne, ale również wysoce energooszczędne.
Jego dokładna kontrola parametrów i wydajność energetyczna sprawiają, że ultradźwiękowe ługowanie jest korzystną i doskonałą techniką – zwłaszcza w porównaniu ze skomplikowanymi technikami wymywania kwasów i chelatowania.
Ultradźwiękowe odzyskiwanie LiCoO2 ze zużytych baterii litowo-jonowych
Ultradźwięki pomagają redukować ługowanie i chemiczne wytrącanie, które są używane do odzyskania Li jako Li2CO3 i Co as Co (OH)2 z zużytych baterii litowo-jonowych.
Zhang i in. (2014) informują o pomyślnym odzyskaniu LiCoO2 za pomocą reaktora ultradźwiękowego. w celu przygotowania wyjściowego roztworu 600 ml, umieścili 10 g nieważnego LiCoO2 proszku w zlewce i dodano 2,0 mola / litr roztworu LiOH, który zmieszano.
Mieszaninę wlano do ultradźwięków i uruchomiono mieszadło, urządzenie do mieszania umieszczono we wnętrzu pojemnika reakcyjnego. Ogrzano do 120 ° C, a następnie urządzenie ultradźwiękowe został ustawiony na 800 W, a ultradźwiękowy tryb działania został ustawiony na pulsacyjne cykle pracy na 5 sekund. ON / 2sec. POZA. Promieniowanie ultradźwiękowe stosowano przez 6 godzin, a następnie mieszaninę reakcyjną ochłodzono do temperatury pokojowej. Stałą pozostałość przemyto kilka razy dejonizowaną wodą i wysuszono w 80 ° C do stałej masy. Uzyskana próbka została zebrana do kolejnych testów i produkcji baterii. Pojemność ładunku w pierwszym cyklu wynosi 134,2 mAh / g, a pojemność rozładowania wynosi 133,5 mAh / g. Efektywność ładowania i rozładowywania po raz pierwszy wynosiła 99,5%. Po 40 cyklach wydajność rozładowania nadal wynosi 132,9 mAh / g. (Zhang i wsp. 2014)
Zastosowano kryształy LiCoO2 przed (a) i po (b) obróbce ultradźwiękowej w temperaturze 120 ° C przez 6 godzin. źródło: Zhang et al. 2014
Ultradźwiękowe ługowanie kwasami organicznymi, takimi jak kwas cytrynowy, jest nie tylko skuteczne, ale również przyjazne dla środowiska. Badania wykazały, że wymywanie Co i Li jest bardziej wydajne w przypadku kwasu cytrynowego niż w przypadku kwasów nieorganicznych H2WIĘC4 i HCl. Ponad 96% Co i prawie 100% Li odzyskano ze zużytych baterii litowo-jonowych. Fakt, że kwasy organiczne, takie jak kwas cytrynowy i kwas octowy, są niedrogie i biodegradowalne, przyczynia się do dalszych korzyści ekonomicznych i środowiskowych wynikających z sonikacji.
Wysokiej mocy przemysłowe Ultradźwięki
Hielscher Ultrasonics to Twój długoletni doświadczony dostawca wysoce wydajnych i niezawodnych systemów ultradźwiękowych, które zapewniają wymaganą moc do ługowania metali z odpadów. W celu regeneracji akumulatorów litowo-jonowych poprzez ekstrakcję metali, takich jak kobalt, lit, nikiel i mangan, niezbędne są wydajne i niezawodne systemy ultradźwiękowe. Hielscher Ultrasonics’ jednostki przemysłowe, takie jak UIP4000hdT (4 kW), UIP10000 (10 kW) i UIP16000 (16kW) to najpotężniejsze i najmocniejsze ultrasonografy o wysokiej wydajności na rynku. Wszystkie nasze jednostki przemysłowe mogą pracować w sposób ciągły z bardzo dużymi amplitudami do 200 μm w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są dostosowane sonotrody ultradźwiękowe. Wytrzymałość ultradźwiękowego sprzętu firmy Hielscher umożliwia pracę w trybie 24/7 w trudnych warunkach pracy i wymagających środowiskach. Hielscher dostarcza specjalne sonotrody i reaktory również do wysokich temperatur, ciśnień i cieczy korozyjnych. To sprawia, że nasze ultradźwięki przemysłowe są najbardziej odpowiednie dla technik metalurgii ekstrakcyjnej, np. Hydrometalurgii.
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Fakty Warto wiedzieć
Baterie litowo-jonowe
Akumulatory litowo-jonowe (LIB) to zbiorcze określenie akumulatorów (akumulatorów), które oferują wysoką gęstość energii i są często integrowane w elektronice użytkowej, takiej jak samochody elektroniczne, samochody hybrydowe, laptopy, telefony komórkowe, iPody itp. W porównaniu do inne warianty akumulatorów o podobnej wielkości i pojemności, LIB są znacznie lżejsze.
W przeciwieństwie do jednorazowej litowej baterii litowej, LIB wykorzystuje interkalowany związek litu zamiast metalicznego litu jako elektrody. Głównymi składnikami akumulatora litowo-jonowego są jego elektrody – anoda i katoda – i elektrolit.
Większość ogniw ma wspólne elementy pod względem elektrolitu, separatora, folii i obudowy. Główną różnicą między technologiami komórkowymi jest materiał wykorzystany jako “aktywne materiały” takich jak katoda i anoda. Grafit jest najczęściej stosowanym materiałem jako anoda, podczas gdy katoda jest wykonana z warstwowego LiMO2 (M = Mn, Co i Ni), spinelu LiMn2O4lub olivine LiFePO4. Ciekłe elektrolity elektrolitów (np. Sól LiPF6 rozpuszczona w mieszaninie rozpuszczalników organicznych, takich jak węglan etylenu (EC), węglan dimetylu (DMC), węglan dietylu (DEC), węglan etylu metylu (EMC) itp.) Pozwalają na ruch jonowy.
W zależności od materiałów elektrody dodatniej (katoda) i ujemnej (anoda), gęstość energii i napięcie LIB zmieniają się odpowiednio.
W pojazdach z napędem elektrycznym używa się często akumulatora elektrycznego pojazdu (EVB) lub akumulatora trakcyjnego. Takie baterie trakcyjne są używane w wózkach widłowych, elektrycznych wózkach golfowych, skruberach podłogowych, motocyklach elektrycznych, samochodach elektrycznych, ciężarówkach, furgonetkach i innych pojazdach elektrycznych.
Recykling metalu z zużytych baterii litowo-jonowych
W porównaniu do innych typów baterii, które często zawierają ołów lub kadm, akumulatory litowo-jonowe zawierają mniej toksycznych metali i dlatego są uważane za przyjazne dla środowiska. Jednak ogromna ilość zużytych akumulatorów litowo-jonowych, które będą musiały zostać wyrzucone jako zużyte baterie z samochodów elektrycznych, stanowi problem z odpadami. Dlatego konieczna jest zamknięta pętla do recyklingu akumulatorów litowo-jonowych. Z ekonomicznego punktu widzenia elementy metalowe, takie jak żelazo, miedź, nikiel, kobalt i lit można odzyskiwać i ponownie wykorzystywać przy produkcji nowych baterii. Recykling może również zapobiec przyszłym niedoborom.
Chociaż na rynek trafiają baterie o wyższym ładunku niklu, nie można wytwarzać baterii bez kobaltu. Wyższa zawartość niklu wiąże się z kosztem: przy zwiększonej zawartości niklu stabilność baterii ulega zmniejszeniu, a tym samym zmniejsza się jej żywotność i zdolność szybkiego ładowania.
Rosnące zapotrzebowanie na akumulatory litowo-jonowe wymaga zwiększenia możliwości recyklingu zużytych baterii.
Proces recyklingu
Baterie pojazdów elektrycznych, takie jak Tesla Roadster, mają przybliżony okres eksploatacji wynoszący 10 lat.
Recykling zużytych akumulatorów litowo-jonowych jest wymagającym procesem, ponieważ w grę wchodzą wysokie napięcie i niebezpieczne chemikalia, co wiąże się z ryzykiem utraty ciepła, porażenia prądem i emisji niebezpiecznych substancji.
W celu ustanowienia recyklingu w zamkniętej pętli, każde wiązanie chemiczne i wszystkie pierwiastki muszą być rozdzielone na poszczególne frakcje. Energia potrzebna do takiego zamkniętego obiegu jest jednak bardzo droga. Najcenniejszymi materiałami do odzysku są metale, takie jak Ni, Co, Cu, Li itp., Ponieważ drogie wydobycie i wysokie ceny na rynku części metalowych sprawiają, że recykling jest ekonomicznie atrakcyjny.
Proces recyklingu akumulatorów litowo-jonowych rozpoczyna się od demontażu i rozładowania akumulatorów. Przed otwarciem akumulatora wymagana jest pasywacja w celu dezaktywacji chemikaliów w akumulatorze. Pasywację można uzyskać przez zamrażanie kriogeniczne lub kontrolowane utlenianie. W zależności od rozmiaru baterii, baterie mogą być demontowane i rozmontowywane do komórki. Po demontażu i zmiażdżeniu składniki izoluje się kilkoma metodami (np. Przesiewaniem, przesiewaniem, ręcznym pobieraniem, separacją magnetyczną, mokrą i balistyczną) w celu usunięcia osłon komórek, aluminium, miedzi i tworzyw sztucznych z proszku elektrody. Oddzielenie materiałów elektrodowych jest niezbędne w dalszych procesach, np. Obróbce hydrometalurgicznej.
Piroliza
Do przetwarzania pirolitycznego rozdrobnione akumulatory są wytapiane w piecu, w którym dodaje się wapień jako środek żużlotwórczy.
Procesy hydrotermalne
Przetwarzanie hydrometalurgiczne opiera się na reakcjach kwasowych w celu wytrącenia soli jako metali. Typowe procesy hydrometalurgiczne obejmują ługowanie, strącanie, wymianę jonową, ekstrakcję rozpuszczalnikiem i elektrolizę roztworów wodnych.
Zaletą przetwarzania hydrotermalnego jest wysoka wydajność odzysku wynosząca + 95% Ni i Co jako soli, można wytrącić + 90% Li, a resztę można odzyskać do + 80%.
Zwłaszcza kobalt jest kluczowym składnikiem katod litowo-jonowych do zastosowań o wysokiej energii i mocy.
Obecne samochody hybrydowe, takie jak Toyota Prius, wykorzystują akumulatory niklowo-wodorkowe, które są rozbierane, rozładowywane i poddawane recyklingowi w podobny sposób jak w przypadku akumulatorów litowo-jonowych.
Literatura / Referencje
- 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.
Potężna sonikacja z laboratorium i blatu do produkcji przemysłowej.