Ultrassom para a reciclagem de baterias de íon de lítio
- As baterias de íons de lítio usadas em carros elétricos estão chegando ao mercado de massa e, com isso, as capacidades de reciclagem devem ser desenvolvidas.
- A lixiviação ultrassônica é uma técnica eficiente e ecológica para recuperar metais como Li, Mg, Co, Ni etc. de baterias de íons de lítio gastas.
- Os sistemas ultrassônicos industriais da Hielscher para aplicações de lixiviação são confiáveis e robustos e podem ser facilmente integrados às usinas de reciclagem existentes.
Reciclagem de baterias de íons de lítio
As baterias de íons de lítio são amplamente utilizadas em veículos elétricos (EV), laptops e telefones celulares. Isso significa que as baterias de íons de lítio usadas são um desafio atual em relação à gestão e reciclagem de resíduos. As baterias são um importante fator de custo para EVs, e seu descarte também é caro. Aspectos ambientais e econômicos exigem um ciclo fechado de reciclagem, pois os resíduos da bateria contêm materiais valiosos e ajudam a reduzir a pegada de carbono da fabricação de baterias de íons de lítio.
A reciclagem de baterias de íons de lítio está crescendo para um setor industrial próspero, a fim de garantir a disponibilidade futura de metais de terras raras e outros componentes de baterias e reduzir os custos ambientais da mineração.
Processador ultrassônico de 48kW
Reciclagem pirometalúrgica e hidrometalúrgica vs reciclagem de bateria ultrassônica
Abaixo, comparamos os métodos convencionais de processos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos com a técnica de lixiviação ultrassônica em relação às vantagens e desvantagens.
As desvantagens da reciclagem de baterias convencionais
Os métodos tradicionais usados para reciclagem de baterias de íons de lítio incluem processos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos.
Métodos pirometalúrgicos envolvem processos de alta temperatura, como fundição ou incineração. As baterias são submetidas a calor extremo, fazendo com que os componentes orgânicos queimem, e os componentes metálicos restantes são derretidos e separados. No entanto, esses métodos têm algumas desvantagens:
- Impacto ambiental: Os processos pirometalúrgicos liberam emissões nocivas e poluentes na atmosfera, contribuindo para a poluição do ar e potencialmente causando riscos à saúde.
- Perda de materiais: Processos de alta temperatura podem resultar na perda de materiais e metais valiosos devido à degradação térmica, reduzindo a taxa geral de recuperação.
- Uso intensivo de energia: Esses métodos normalmente requerem uma entrada significativa de energia, o que aumenta os custos operacionais e a pegada ambiental.
Métodos hidrometalúrgicos envolvem lixiviação química para dissolver os componentes da bateria e extrair metais valiosos. Embora mais ecológica do que os métodos pirometalúrgicos, a hidrometalurgia tem suas próprias desvantagens:
- Uso químico: Ácidos fortes ou outros produtos químicos corrosivos são necessários para a lixiviação, o que levanta preocupações sobre manuseio de produtos químicos, gerenciamento de resíduos e potencial contaminação ambiental.
- Desafios de seletividade: Alcançar a lixiviação seletiva dos metais desejados pode ser difícil, levando a taxas de recuperação mais baixas e perda potencial de recursos valiosos.
Vantagens da lixiviação ultrassônica da bateria sobre as técnicas convencionais
Quando comparada às técnicas de reciclagem pirometalúrgica e hidrometalúrgica, a técnica de reciclagem de bateria ultrassônica supera devido a várias vantagens:
- Eficiência aprimorada: A sonicação ultrassônica pode acelerar a quebra dos materiais da bateria, resultando em tempos de processamento mais curtos e maior eficiência geral.
- Taxas de recuperação aprimoradas: A aplicação controlada de cavitação ultrassônica aumenta a quebra dos componentes da bateria, aumentando as taxas de recuperação de metais valiosos.
- Ecológico: A reciclagem ultrassônica reduz a dependência de altas temperaturas e produtos químicos agressivos, minimizando o impacto ambiental e diminuindo as emissões de poluentes.
- Lixiviação seletiva: A aplicação controlada de ultrassom permite a interrupção direcionada de componentes específicos dentro da bateria, separando-os de forma eficiente. Como diferentes compostos de bateria recicláveis são removidos e dissolvidos sob intensidades ultrassônicas específicas, os parâmetros de processamento otimizados permitem uma lixiviação seletiva de materiais individuais. Isso facilita a separação eficiente de metais e materiais valiosos.
- Consumo de energia reduzido: Em comparação com ambos, os métodos hidrometalúrgicos e especialmente pirometalúrgicos, a reciclagem ultrassônica é geralmente mais eficiente em termos energéticos, levando a custos operacionais mais baixos e pegada de carbono reduzida.
- Escalabilidade e flexibilidade: Os sistemas ultrassônicos podem ser facilmente ampliados ou reduzidos para acomodar vários tamanhos de bateria e capacidades de produção. Além disso, os ultrassônicos para reciclagem de baterias podem ser facilmente integrados em instalações de reciclagem de baterias já existentes. Prontamente disponíveis em várias escalas de potência e acessórios correspondentes, como sondas ultrassônicas e reatores de célula de fluxo, os ultrassônicos podem lidar com componentes de baterias de vários tamanhos e capacidades de produção, proporcionando escalabilidade e adaptabilidade nos processos de reciclagem.
- Integração sinérgica: A lixiviação ultrassônica pode ser integrada às linhas de reciclagem de baterias hidrometalúrgicas existentes, a fim de intensificar e melhorar a lixiviação hidrometalúrgica de metais e materiais valiosos de baterias de íons de lítio usadas.
No geral, a reciclagem de baterias ultrassônicas mostra-se promissora como um método mais ecológico, eficiente e seletivo em comparação com as abordagens pirometalúrgicas e hidrometalúrgicas tradicionais.
Cavitação ultrassônica poderosa em Hielscher Cascatrode
Lixiviação ultrassônica industrial para recuperação de metal de baterias gastas
A lixiviação ultrassônica e a extração de metais podem ser aplicadas a processos de reciclagem de baterias de óxido de lítio-cobalto (por exemplo, de laptops, smartphones, etc.), bem como de baterias complexas de lítio-níquel-manganês-cobalto (por exemplo, de veículos elétricos).
O ultrassom de alta potência é bem conhecido por sua capacidade de processar líquidos químicos e pastas para melhorar a transferência de massa e iniciar reações químicas.
Os efeitos intensos da ultrassonografia de potência são baseados no fenômeno da cavitação acústica. Ao acoplar o ultrassom de alta potência em líquidos? pastas, as ondas alternadas de baixa e alta pressão em líquidos geram pequenas bolhas de vácuo. Os pequenos vazios de vácuo crescem ao longo de vários ciclos de baixa? alta pressão até implodir violentamente. As bolhas de vácuo em colapso podem ser consideradas como microrreatores em que temperaturas de até 5000K, pressões de até 1000atm e taxas de aquecimento e resfriamento acima de 10-10 acontecer. Além disso, fortes forças de cisalhamento hidrodinâmicas e jatos de líquido com velocidade de até 280m/s são gerados. Essas condições extremas de cavitação acústica criam condições físicas e químicas extraordinárias em líquidos frios e criam um ambiente benéfico para reações químicas (as chamadas Sonoquímica).
Lixiviação ultrassônica de metais a partir de resíduos de baterias esgotadas.
A grande vantagem da lixiviação ultrassônica e da recuperação de metais é o controle preciso sobre os parâmetros do processo, como amplitude, pressão e temperatura. Esses parâmetros permitem ajustar as condições de reação exatamente ao meio do processo e à saída desejada. Além disso, a lixiviação ultrassônica remove até mesmo as menores partículas de metal do substrato, preservando as microestruturas. A recuperação aprimorada de metal se deve à criação ultrassônica de superfícies altamente reativas, aumento das taxas de reação e melhor transporte de massa. Os processos de sonicação podem ser otimizados influenciando cada parâmetro e, portanto, não são apenas muito eficazes, mas também altamente eficientes em termos de energia.
Seu controle exato do parâmetro e eficiência energética fazem lixiviação ultrassônica a técnica favorável e excelente – especialmente quando comparado a técnicas complicadas de lixiviação ácida e quelação.
Recuperação ultrassônica de LiCoO2 de baterias de íon de lítio usadas
A ultrassonografia auxilia a lixiviação redutora e a precipitação química, que são usadas para recuperar Li como Li2CO3 e Co como Co(OH)2 de baterias de íons de lítio usadas.
Zhang et al. (2014) relatam a recuperação bem-sucedida do LiCoO2 usando um reator ultrassônico. para preparar a solução inicial de 600mL, eles colocaram 10g de LiCoO inválido2 em um béquer e adicionado 2,0mol? L de solução de LiOH, que foram misturados.
A mistura foi despejada na irradiação ultrassônica e o dispositivo de agitação foi iniciado, o dispositivo de agitação foi colocado no interior do recipiente de reação. Foi aquecido a 120◦C, e então o Dispositivo ultrassônico foi definido para 800W e o modo de ação ultrassônico foi definido para ciclos de trabalho pulsados de 5 seg. A irradiação ultrassônica foi aplicada por 6h e, em seguida, a mistura de reação foi resfriada à temperatura ambiente. O resíduo sólido foi lavado várias vezes com água deionizada e seco a 80◦C até peso constante. A amostra obtida foi coletada para posterior teste e produção da bateria. A capacidade de carga no primeiro ciclo é de 134,2 mAh/g e a capacidade de descarga é de 133,5 mAh/g. A eficiência de carga e descarga pela primeira vez foi de 99,5%. Após 40 ciclos, a capacidade de descarga ainda é de 132,9 mAh? g. (Zhang et al. 2014)
Utilizou cristais de LiCoO2 antes (a) e depois (b) do tratamento com ultrassom a 120◦C por 6h.
A lixiviação ultrassônica com ácidos orgânicos, como o ácido cítrico, não é apenas eficaz, mas também ecologicamente correta. A pesquisa descobriu que a lixiviação de Co e Li é mais eficiente com ácido cítrico do que com os ácidos inorgânicos H2SO4 e HCl. Mais de 96% de Co e quase 100% de Li foram recuperados de baterias de íons de lítio usadas. O fato de os ácidos orgânicos, como o ácido cítrico e o ácido acético, serem baratos e biodegradáveis, contribui para outras vantagens econômicas e ambientais da sonicação.
Ultrassom industrial de alta potência para lixiviação de metais de baterias usadas
A Hielscher Ultrasonics é o seu fornecedor experiente de sistemas ultrassônicos altamente eficientes e confiáveis, que fornecem a energia necessária para lixiviar metais de materiais residuais. Para reprocessar baterias de íons de lítio extraindo metais como cobalto, lítio, níquel e manganês, sistemas ultrassônicos poderosos e robustos são essenciais. As unidades industriais Hielscher Ultrasonics, como o UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) e UIP16000 (16kW), são os sistemas de ultrassom de alto desempenho mais potentes e robustos do mercado. Todas as nossas unidades industriais podem ser operadas continuamente com amplitudes muito altas de até 200 μm em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados. A robustez do equipamento ultrassônico Hielscher permite operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em ambientes pesados e exigentes. A Hielscher também fornece sonotrodos e reatores especiais para altas temperaturas, pressões e líquidos corrosivos. Isso torna nossos ultrassônicos industriais mais adequados para técnicas de metalurgia extrativa, por exemplo, tratamentos hidrometalúrgicos.
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:
| Volume do lote | Vazão | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 0.1 a 20L | 0.2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| 20 a 200L | 4 a 20L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | maior | cluster de UIP16000 |
Fatos, vale a pena conhecer
Baterias de íon de lítio
Baterias de íons de lítio (LIB) é o termo coletivo para baterias (recarregáveis) que oferecem uma alta densidade de energia e são frequentemente integradas em eletrônicos de consumo, como carros eletrônicos, carros híbridos, laptops, telefones celulares, iPods, etc. Em comparação com outras variantes de baterias recarregáveis com tamanho e capacidade semelhantes, os LIBs são significativamente mais leves.
Ao contrário da bateria primária de lítio descartável, um LIB usa composto de lítio intercalado em vez de lítio metálico como eletrodo. Os principais constituintes de uma bateria de íons de lítio são seus eletrodos – ânodo e cátodo – e o eletrólito.
A maioria das células compartilha componentes comuns em termos de eletrólito, separador, folhas e invólucro. A principal diferença entre as tecnologias celulares é o material utilizado como “Materiais ativos” como cátodo e ânodo. O grafite é o material mais frequentemente usado como ânodo, enquanto o cátodo é feito de LiMO2 em camadas (M = Mn, Co e Ni), espinélio LiMn2O4ou olivina LiFePO4. Os eletrólitos líquidos orgânicos eletrolíticos (por exemplo, sal LiPF6 dissolvido em uma mistura de solventes orgânicos, como carbonato de etileno (EC), carbonato de dimetila (DMC), carbonato de dietila (DEC), carbonato de etil metil (EMC), etc.) permitem o movimento iônico.
Dependendo dos materiais dos eletrodos positivos (cátodo) e negativos (ânodos), a densidade de energia e a tensão dos LIBs variam, respectivamente.
Quando usado em veículos elétricos, geralmente é usada bateria de veículo elétrico (EVB) ou bateria de tração. Essas baterias de tração são usadas em empilhadeiras, carrinhos de golfe elétricos, lavadoras de piso, motocicletas elétricas, carros elétricos, caminhões, vans e outros veículos elétricos.
Reciclagem de metais de baterias de íons de lítio usadas
Em comparação com outros tipos de baterias que geralmente contêm chumbo ou cádmio, as baterias de íons de lítio contêm menos metais tóxicos e, portanto, são consideradas ecologicamente corretas. No entanto, a grande quantidade de baterias de íons de lítio gastas, que terão que ser descartadas como baterias usadas de carros elétricos, apresenta um problema de resíduos. Portanto, é necessário um ciclo fechado de reciclagem de baterias de íons de lítio. Do ponto de vista econômico, elementos metálicos como ferro, cobre, níquel, cobalto e lítio podem ser recuperados e reutilizados na produção de novas baterias. A reciclagem também pode evitar uma escassez futura.
Embora baterias com cargas mais altas de níquel estejam chegando ao mercado, não é possível produzir baterias sem cobalto. O maior teor de níquel tem um custo: com um maior teor de níquel, a estabilidade da bateria diminui e, portanto, seu ciclo de vida e a capacidade de carregamento rápido são reduzidos.
A crescente demanda por baterias de íons de lítio exige o aumento da capacidade de reciclagem de baterias usadas.
Processo de Reciclagem
As baterias de veículos elétricos, como o Tesla Roadster, têm uma vida útil aproximada de 10 anos.
A reciclagem de baterias de íons de lítio gastas é um processo exigente, pois estão envolvidos produtos químicos perigosos e de alta tensão, o que vem com riscos de fuga térmica, choque elétrico e emissão de substâncias perigosas.
Para estabelecer uma reciclagem em circuito fechado, todas as ligações químicas e todos os elementos devem ser separados em suas frações individuais. No entanto, a energia necessária para essa reciclagem em circuito fechado é muito cara. Os materiais mais valiosos para recuperação são metais como Ni, Co,, Li, etc., uma vez que a mineração cara e os altos preços de mercado dos componentes metálicos tornam a reciclagem economicamente atraente.
O processo de reciclagem das baterias de íons de lítio começa com a desmontagem e descarga das baterias. Antes de abrir a bateria, é necessária uma passivação para inativar os produtos químicos na bateria. A passivação pode ser obtida por congelamento criogênico ou oxidação controlada. Dependendo do tamanho da bateria, as baterias podem ser desmontadas e desmontadas até a célula. Após a desmontagem e trituração, os componentes são isolados por vários métodos (por exemplo, peneiramento, peneiramento, separação manual, magnética, úmida e balística) para remover invólucros de células, alumínio, cobre e plásticos do pó do eletrodo. A separação dos materiais dos eletrodos é necessária para os processos a jusante, por exemplo, tratamento hidrometalúrgico.
pirólise
Para o processamento pirolítico, as baterias trituradas são fundidas em um forno onde o calcário é adicionado como agente formador de escória.
Processos hidrotérmicos
O processamento hidrometalúrgico é baseado em reações ácidas para precipitar os sais como metais. Os processos hidrometalúrgicos típicos incluem lixiviação, precipitação, troca iônica, extração por solvente e eletrólise de soluções aquosas.
A vantagem do processamento hidrotérmico é o alto rendimento de recuperação de +95% de Ni e Co como sais, +90% de Li pode ser precipitado e o restante pode ser recuperado até +80%.
Especialmente o cobalto é um componente crítico em cátodos de baterias de íons de lítio para aplicações de alta energia e energia.
Os carros híbridos atuais, como o Toyota Prius, usam baterias de níquel-hidreto metálico, que são desmontadas, descarregadas e recicladas de maneira semelhante às baterias de íons de lítio.
Literatura/Referências
- 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.
Sonicação poderosa do laboratório e bancada para a produção industrial.