Hielscher Ultrasonics
Z przyjemnością omówimy Twój proces.
Zadzwoń do nas: +49 3328 437-420
Napisz do nas: info@hielscher.com

Ultradźwięki do recyklingu baterii litowo-jonowych

  • Akumulatory litowo-jonowe stosowane w samochodach elektrycznych dopiero wchodzą na rynek masowy, a wraz z nimi należy rozwijać możliwości recyklingu.
  • Ługowanie ultradźwiękowe jest skuteczną, przyjazną dla środowiska techniką odzyskiwania metali, takich jak Li, Mg, Co, Ni itp. ze zużytych akumulatorów litowo-jonowych.
  • Przemysłowe systemy ultradźwiękowe Hielscher do ługowania są niezawodne i wytrzymałe oraz można je łatwo zintegrować z istniejącymi zakładami recyklingu.

Recykling baterii litowo-jonowych

Baterie 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 środowiskowe i ekonomiczne przemawiają za zamkniętą pętlą recyklingu, ponieważ odpady z baterii zawierają cenne materiały i pomagają zmniejszyć ślad węglowy związany z produkcją baterii litowo-jonowych.
Recykling akumulatorów litowo-jonowych staje się prężnie rozwijającym się sektorem przemysłu w celu zapewnienia przyszłej dostępności metali ziem rzadkich i innych komponentów akumulatorów oraz zmniejszenia kosztów środowiskowych wydobycia.

Zapytanie o informacje







Ultradźwięki firmy Hielscher to niezawodne i wytrzymałe systemy do ługowania metali.

Procesor ultradźwiękowy 48 kW
do wymagających zastosowań, takich jak ługowanie metali

Recykling pirometalurgiczny i hydrometalurgiczny a recykling akumulatorów ultradźwiękowych

Poniżej porównujemy konwencjonalne metody procesów pirometalurgicznych i hydrometalurgicznych z techniką ługowania ultradźwiękowego pod względem zalet i wad.

Wady konwencjonalnego recyklingu akumulatorów

Tradycyjne metody recyklingu akumulatorów litowo-jonowych obejmują procesy pirometalurgiczne i hydrometalurgiczne.
 
Metody pirometalurgiczne obejmują procesy wysokotemperaturowe, takie jak wytapianie lub spalanie. Baterie poddawane są działaniu wysokiej temperatury, w wyniku czego składniki organiczne ulegają spaleniu, a pozostałe składniki metaliczne są topione i oddzielane. Metody te mają jednak pewne wady:

  • Wpływ na środowisko: Procesy pirometalurgiczne uwalniają szkodliwe emisje i zanieczyszczenia do atmosfery, przyczyniając się do zanieczyszczenia powietrza i potencjalnie powodując zagrożenia dla zdrowia.
  • Utrata materiałów: Procesy wysokotemperaturowe mogą powodować utratę cennych materiałów i metali w wyniku degradacji termicznej, zmniejszając ogólny wskaźnik odzysku.
  • Intensywne zużycie energii: Metody te zazwyczaj wymagają znacznego nakładu energii, co zwiększa koszty operacyjne i wpływ na środowisko.

 
Metody hydrometalurgiczne obejmują ługowanie chemiczne w celu rozpuszczenia składników baterii i wydobycia cennych metali. Hydrometalurgia, choć bardziej przyjazna dla środowiska niż metody pirometalurgiczne, ma swoje wady:

  • Zastosowanie chemiczne: Do wymywania potrzebne są silne kwasy lub inne żrące substancje chemiczne, co budzi obawy związane z obsługą chemikaliów, gospodarką odpadami i potencjalnym skażeniem środowiska.
  • Wyzwania związane z selektywnością: Osiągnięcie selektywnego ługowania pożądanych metali może być trudne, co prowadzi do niższych wskaźników odzysku i potencjalnej utraty cennych zasobów.

 

Zalety ultradźwiękowego ługowania akumulatorów w porównaniu z konwencjonalnymi technikami

W porównaniu z technikami recyklingu pirometalurgicznego i hydrometalurgicznego, ultradźwiękowa technika recyklingu akumulatorów ma wiele zalet:

  1. Zwiększona wydajność: Ultradźwiękowa sonikacja może przyspieszyć rozkład materiałów akumulatorowych, co skutkuje krótszym czasem przetwarzania i wyższą ogólną wydajnością.
  2. Lepsze wskaźniki odzyskiwania: Kontrolowane zastosowanie kawitacji ultradźwiękowej zwiększa rozpad komponentów baterii, zwiększając stopień odzysku cennych metali.
  3. Przyjazny dla środowiska: Recykling ultradźwiękowy zmniejsza zależność od wysokich temperatur i agresywnych chemikaliów, minimalizując wpływ na środowisko i obniżając emisję zanieczyszczeń.
  4. Ługowanie selektywne: Kontrolowane zastosowanie ultradźwięków pozwala na ukierunkowane zakłócenie określonych składników w akumulatorze, skutecznie je oddzielając. Ponieważ różne związki baterii nadające się do recyklingu są usuwane i rozpuszczane pod wpływem określonej intensywności ultradźwięków, zoptymalizowane parametry przetwarzania pozwalają na selektywne wymywanie poszczególnych materiałów. Ułatwia to skuteczne oddzielanie cennych metali i materiałów.
  5. Zmniejszone zużycie energii: W porównaniu z metodami hydrometalurgicznymi, a zwłaszcza pirometalurgicznymi, recykling ultradźwiękowy jest generalnie bardziej energooszczędny, co prowadzi do niższych kosztów operacyjnych i mniejszego śladu węglowego.
  6. Skalowalność i elastyczność: Systemy ultradźwiękowe można łatwo skalować w górę lub w dół, aby dostosować je do różnych rozmiarów baterii i zdolności produkcyjnych. Dodatkowo, ultradźwięki do recyklingu akumulatorów można łatwo zintegrować z już istniejącymi urządzeniami do recyklingu akumulatorów. Łatwo dostępne w różnych skalach mocy i pasujących akcesoriach, takich jak sondy ultradźwiękowe i reaktory przepływowe, ultradźwięki mogą obsługiwać komponenty baterii o różnych rozmiarach i zdolnościach produkcyjnych, zapewniając skalowalność i zdolność adaptacji w procesach recyklingu.
  7. Synergiczna integracja: Ługowanie ultradźwiękowe można zintegrować z istniejącymi hydrometalurgicznymi liniami recyklingu akumulatorów w celu intensyfikacji i poprawy hydrometalurgicznego ługowania cennych metali i materiałów ze zużytych akumulatorów litowo-jonowych.

Ogólnie rzecz biorąc, ultradźwiękowy recykling akumulatorów jest bardziej przyjazną dla środowiska, wydajną i selektywną metodą w porównaniu z tradycyjnymi metodami pirometalurgicznymi i hydrometalurgicznymi.

 

Potężna kawitacja ultradźwiękowa w Hielscher Cascatrode

Potężna kawitacja ultradźwiękowa w Hielscher Cascatrode

 

Zapytanie o informacje







Przemysłowe ługowanie ultradźwiękowe do odzyskiwania metali z zużytych baterii

Ługowanie ultradźwiękowe i ekstrakcja metali mogą być stosowane w procesach recyklingu akumulatorów litowo-kobaltowych (np. z laptopów, smartfonów itp.), a także złożonych akumulatorów litowo-niklowo-manganowo-kobaltowych (np. z pojazdów elektrycznych).
Przemysłowy reaktor ultradźwiękowy z wieloma sondami do odzyskiwania metali ze zużytych akumulatorów litowo-jonowych. Ługowanie ultradźwiękowe zapewnia wysoką wydajność odzyskiwania litu, kobaltu, miedzi, aluminium i niklu.Ultradźwięki o dużej mocy są dobrze znane ze swojej zdolności do przetwarzania cieczy chemicznych i zawiesin w celu poprawy transferu masy i inicjowania reakcji chemicznych.
Intensywne efekty ultradźwięków mocy opierają się na zjawisku kawitacji akustycznej. Poprzez sprzężenie ultradźwięków o dużej mocy z cieczami / zawiesinami, naprzemienne fale niskociśnieniowe i wysokociśnieniowe w cieczach generują małe pęcherzyki próżniowe. Małe puste przestrzenie próżniowe rosną w różnych cyklach niskiego / wysokiego ciśnienia, aż do gwałtownej implozji. Zapadające się pęcherzyki próżniowe mogą być uważane za mikroreaktory, w których temperatury do 5000K, ciśnienia do 1000atm oraz szybkości ogrzewania i chłodzenia powyżej 10-10 występują. Ponadto generowane są silne hydrodynamiczne siły ścinające i strumienie cieczy o prędkości do 280 m/s. Te ekstremalne warunki kawitacji akustycznej tworzą niezwykłe warunki fizyczne i chemiczne w zimnych cieczach i tworzą korzystne środowisko dla reakcji chemicznych (tzw. przyspieszenie reakcji chemycznych (sonochemia).).

Ługowanie ultradźwiękowe w recyklingu zużytych baterii litowo-jonowych. (Kliknij, aby powiększyć!)

Ultradźwiękowe ługowanie metali z wyczerpanych odpadów akumulatorowych.

Kawitacja generowana ultradźwiękami może indukować termolizę substancji rozpuszczonych, jak również tworzenie wysoce reaktywnych rodników i reagentów, takich jak wolne rodniki, jony wodorotlenkowe (-OH,) hydroniowe (H3O+) itp., które zapewniają nadzwyczajne warunki reaktywne w cieczy, dzięki czemu szybkość reakcji znacznie wzrasta. Ciała stałe, takie jak cząstki stałe, są przyspieszane przez strumienie cieczy i są mielone przez zderzenia międzycząsteczkowe i ścieranie, zwiększając powierzchnię czynną, a tym samym transfer masy.
Wielką zaletą ługowania ultradźwiękowego i odzyskiwania metali 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 jednocześnie mikrostruktury. Zwiększony odzysk metalu wynika z ultradźwiękowego tworzenia wysoce reaktywnych powierzchni, zwiększonej szybkości reakcji i ulepszonego transportu masy. Procesy sonikacji można zoptymalizować, wpływając na każdy parametr, dzięki czemu są one nie tylko bardzo skuteczne, ale także wysoce energooszczędne.
Dokładna kontrola parametrów i wydajność energetyczna sprawiają, że ługowanie ultradźwiękowe jest korzystną i wyróżniającą się techniką – zwłaszcza w porównaniu ze skomplikowanymi technikami ługowania kwasem i chelatowania.

Ultradźwiękowy odzysk LiCoO2 ze zużytych baterii litowo-jonowych

Ultradźwięki wspomagają ługowanie redukcyjne i wytrącanie chemiczne, które są stosowane do odzyskiwania Li jako Li2CO3 i Co jako Co(OH)2 ze zużytych baterii litowo-jonowych.
Zhang et al. (2014) donoszą o pomyślnym odzyskaniu LiCoO2 przy użyciu reaktora ultradźwiękowego. W celu przygotowania roztworu wyjściowego o objętości 600 ml, umieszczono w nim 10 g nieważnego LiCoO2 proszku w zlewce i dodano 2,0 mola / l roztworu LiOH, które wymieszano.
Mieszaninę wlano do naświetlania ultradźwiękowego i uruchomiono urządzenie mieszające, urządzenie mieszające umieszczono we wnętrzu pojemnika reakcyjnego. Został podgrzany do 120 ° C, a następnie Urządzenie ultradźwiękowe ustawiono na 800 W, a tryb działania ultradźwięków na pulsacyjne cykle pracy 5 sek. ON / 2 sek. WYŁ. Promieniowanie ultradźwiękowe stosowano przez 6 godzin, a następnie mieszaninę reakcyjną schłodzono do temperatury pokojowej. Stałą pozostałość przemyto kilkakrotnie dejonizowaną wodą i wysuszono w temperaturze 80°C do uzyskania stałej masy. Uzyskana próbka została pobrana do dalszych testów i produkcji baterii. Pojemność ładowania w pierwszym cyklu wynosi 134,2 mAh/g, a pojemność rozładowania 133,5 mAh/g. Wydajność pierwszego ładowania i rozładowania wyniosła 99,5%. Po 40 cyklach pojemność rozładowania nadal wynosi 132,9 mAh/g. (Zhang et al. 2014).
 

Ultradźwięki typu Proby poprawiają wymywanie i odzyskiwanie metali szlachetnych i materiałów ze zużytych akumulatorów litowo-jonowych. Hielscher Ultrasonics dostarcza ultradźwięki pod klucz gotowe do instalacji w zakładzie recyklingu akumulatorów w celu poprawy wydajności recyklingu.

Użyte kryształy LiCoO2 przed (a) i po (b) obróbce ultradźwiękowej w temperaturze 120◦C przez 6 godzin.
Opracowanie i zdjęcia: ©Zhang et al. 2014

 
Ługowanie ultradźwiękowe kwasami organicznymi, takimi jak kwas cytrynowy, jest nie tylko skuteczne, ale także przyjazne dla środowiska. Badania wykazały, że ługowanie Co i Li jest bardziej wydajne w przypadku kwasu cytrynowego niż w przypadku kwasów nieorganicznych H2SO4 i HCl. Ze zużytych akumulatorów litowo-jonowych odzyskano ponad 96% Co i prawie 100% Li. Fakt, że kwasy organiczne, takie jak kwas cytrynowy i kwas octowy, są niedrogie i biodegradowalne, przyczynia się do dalszych korzyści ekonomicznych i środowiskowych sonikacji.

Ultradźwięki przemysłowe o dużej mocy do ługowania metali z zużytych baterii

UIP4000hdT - wysokowydajny system ultradźwiękowy firmy Hielscher o mocy 4 kW Hielscher Ultrasonics jest doświadczonym dostawcą wysoce wydajnych i niezawodnych systemów ultradźwiękowych, które dostarczają wymaganą moc do ługowania metali z materiałów odpadowych. W celu ponownego przetworzenia akumulatorów litowo-jonowych poprzez ekstrakcję metali takich jak kobalt, lit, nikiel i mangan, niezbędne są wydajne i wytrzymałe systemy ultradźwiękowe. Jednostki przemysłowe Hielscher Ultrasonics, takie jak UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) i UIP16000 (16kW) są najbardziej wydajnymi i solidnymi systemami ultradźwiękowymi o wysokiej wydajności na rynku. Wszystkie nasze jednostki przemysłowe mogą pracować w trybie ciągłym z bardzo wysokimi amplitudami do 200µm w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach. Hielscher dostarcza również specjalne sonotrody i reaktory do wysokich temperatur, ciśnień i cieczy korozyjnych. Dzięki temu nasze ultradźwięki przemysłowe są najbardziej odpowiednie do technik metalurgii ekstrakcyjnej, np. zabiegów hydrometalurgicznych.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Wielkość partii natężenie przepływu Polecane urządzenia
0.1 do 20L 0.2 do 4L/min UIP2000hdT
10-100L 2 do 10L/min UIP4000hdT
20 do 200 l 4 do 20 l/min UIP6000hdT
b.d. 10-100L/min UIP16000
b.d. większe klaster UIP16000

Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!

Skorzystaj z formularza poniżej, jeśli chcesz zażądać dodatkowych informacji na temat ultradźwiękowej homogenizacji. Chętnie zaoferujemy Państwu system ultradźwiękowy, spełniający Państwa wymagań.









Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.






Fakty, które warto znać

Baterie litowo-jonowe

Baterie litowo-jonowe (LIB) to zbiorcze określenie baterii (wielokrotnego ładowania), które oferują wysoką gęstość energii i są często stosowane w elektronice użytkowej, takiej jak samochody elektroniczne, samochody hybrydowe, laptopy, telefony komórkowe, iPody itp. W porównaniu do innych wariantów akumulatorów o podobnych rozmiarach i pojemności, LIB są znacznie lżejsze.
W przeciwieństwie do jednorazowych baterii litowych, LIB wykorzystuje interkalowany związek litu zamiast metalicznego litu jako elektrodę. Głównymi składnikami baterii litowo-jonowej są jej elektrody – anoda i katoda – i elektrolit.
Większość ogniw posiada wspólne komponenty w postaci elektrolitu, separatora, folii i obudowy. Główną różnicą między technologiami ogniw jest materiał wykorzystywany jako “materiały aktywne” takie 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 oliwin LiFePO4. Ciekłe elektrolity organiczne (np. sól LiPF6 rozpuszczona w mieszaninie rozpuszczalników organicznych, takich jak węglan etylenu (EC), węglan dimetylu (DMC), węglan dietylu (DEC), węglan etylu metylu (EMC) itp.) umożliwiają ruch jonowy.
W zależności od materiałów elektrody dodatniej (katody) i ujemnej (anody), gęstość energii i napięcie LIB różnią się odpowiednio.
W przypadku zastosowania w pojazdach elektrycznych często używa się akumulatora do pojazdów elektrycznych (EVB) lub akumulatora trakcyjnego. Takie akumulatory trakcyjne są stosowane w wózkach widłowych, elektrycznych wózkach golfowych, szorowarkach do podłóg, motocyklach elektrycznych, samochodach elektrycznych, ciężarówkach, samochodach dostawczych i innych pojazdach elektrycznych.

Recykling metali ze zużytych baterii litowo-jonowych

W porównaniu do innych typów akumulatorów, 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 być utylizowane jako zużyte akumulatory z samochodów elektrycznych, stanowi problem z odpadami. Dlatego też konieczna jest zamknięta pętla recyklingu akumulatorów litowo-jonowych. Z ekonomicznego punktu widzenia, elementy metalowe takie jak żelazo, miedź, nikiel, kobalt i lit mogą być odzyskiwane i ponownie wykorzystywane w produkcji nowych baterii. Recykling może również zapobiec przyszłym niedoborom.
Chociaż na rynku pojawiają się baterie o wyższej zawartości niklu, nie jest możliwe wyprodukowanie baterii bez kobaltu. Wyższa zawartość niklu ma swoją cenę: Wraz ze wzrostem zawartości niklu zmniejsza się stabilność akumulatora, a tym samym jego żywotność i zdolność do szybkiego ładowania.

Rosnący popyt na baterie litowo-jonowe. Źródło: Deutsche Bank

Rosnący popyt na akumulatory litowo-jonowe wymaga zwiększenia możliwości recyklingu zużytych akumulatorów.

Proces recyklingu

Akumulatory pojazdów elektrycznych, takich jak Tesla Roadster, mają przybliżoną żywotność 10 lat.
Recykling zużytych akumulatorów litowo-jonowych jest wymagającym procesem, ponieważ wiąże się z wysokim napięciem i niebezpiecznymi chemikaliami, co wiąże się z ryzykiem niekontrolowanego wzrostu temperatury, porażenia prądem i emisji niebezpiecznych substancji.
Aby stworzyć zamkniętą pętlę recyklingu, każde wiązanie chemiczne i wszystkie pierwiastki muszą zostać rozdzielone na poszczególne frakcje. Jednak energia wymagana do takiego recyklingu w obiegu zamkniętym jest bardzo droga. Najcenniejszymi materiałami do odzysku są metale, takie jak Ni, Co, Cu, Li itp., ponieważ kosztowne wydobycie i wysokie ceny rynkowe komponentów metalowych sprawiają, że recykling jest atrakcyjny ekonomicznie.
Proces recyklingu akumulatorów litowo-jonowych rozpoczyna się od ich demontażu i rozładowania. Przed otwarciem akumulatora wymagana jest pasywacja w celu inaktywacji substancji chemicznych w akumulatorze. Pasywację można osiągnąć poprzez zamrażanie kriogeniczne lub kontrolowane utlenianie. W zależności od rozmiaru baterii, baterie mogą być demontowane i rozbierane aż do ogniwa. Po demontażu i kruszeniu, komponenty są izolowane kilkoma metodami (np. przesiewanie, przesiewanie, ręczne zbieranie, separacja magnetyczna, mokra i balistyczna) w celu usunięcia obudów ogniw, aluminium, miedzi i tworzyw sztucznych z proszku elektrod. Oddzielenie materiałów elektrodowych jest niezbędne do dalszych procesów, np. obróbki hydrometalurgicznej.
piroliza
W przypadku przetwarzania pirolitycznego, rozdrobnione baterie są wytapiane w piecu, do którego dodaje się wapień jako czynnik tworzący żużel.

Procesy hydrotermalne
Przetwarzanie hydrometalurgiczne opiera się na reakcjach kwasowych w celu wytrącenia soli w postaci metali. Typowe procesy hydrometalurgiczne obejmują ługowanie, wytrącanie, wymianę jonową, ekstrakcję rozpuszczalnikową i elektrolizę roztworów wodnych.
Zaletą przetwarzania hydrotermalnego jest wysoka wydajność odzysku +95% Ni i Co w postaci soli, +90% Li można wytrącić, a resztę można odzyskać do +80%.

W szczególności kobalt jest kluczowym składnikiem katod akumulatorów litowo-jonowych do zastosowań wymagających dużej energii i mocy.
Obecne samochody hybrydowe, takie jak Toyota Prius, wykorzystują akumulatory niklowo-wodorkowe, które są demontowane, rozładowywane i poddawane recyklingowi w podobny sposób jak akumulatory litowo-jonowe.

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.

Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne ultrasonografy.

Wydajna sonikacja od laboratorium i stołu laboratoryjnego do produkcji przemysłowej.

Z przyjemnością omówimy Twój proces.

Bądźmy w kontakcie.