Ultrasunete pentru reciclarea bateriilor litiu-ion

  • Bateriile litiu-ion utilizate în automobilele electrice se îndreaptă acum spre piața masivă și, odată cu acestea, trebuie dezvoltate capacități de reciclare.
  • Extracția cu ultrasunete este o tehnică eficientă și ecologică pentru recuperarea metalelor precum Li, Mg, Co, Ni etc. de la bateriile Li-ion uzate.
  • Hielscher sisteme industriale cu ultrasunete pentru aplicații de leșiere sunt fiabile și robuste și pot fi ușor integrate în instalațiile de reciclare existente.

Reciclarea bateriilor litiu-ion

Bateriile litiu-ion sunt utilizate pe scară largă în vehiculele electrice (EV), laptop-uri și telefoane mobile. Aceasta înseamnă că bateriile litiu-ion uzate reprezintă o provocare actuală în ceea ce privește gestionarea și reciclarea deșeurilor. Bateriile sunt un driver de cost major pentru EVs, iar dispoziția lor este costisitoare, de asemenea. Aspectele de mediu și economice împing pentru o buclă de reciclare închisă, deoarece deșeurile de baterii conțin materiale valoroase și ajută la reducerea amprentei de carbon a producției de baterii litiu-ion.
Reciclarea bateriilor Li-ion este în creștere într-un sector industrial înfloritor, pentru a asigura disponibilitatea viitoare a metalelor de pământuri rare și a altor componente ale bateriilor și pentru a reduce costurile de mediu ale mineritului.

Cerere de informatie





Hielscher's ultrasonicators are reliable and robust systems for the leaching of metals.

Procesor ultrasonic de 48kW
pentru aplicații exigente, cum ar fi leșierea metalelor

Reciclarea pirometalurgică și hidrometalurgică vs reciclarea bateriilor cu ultrasunete

Mai jos, comparăm metodele convenționale ale proceselor pirometalurgice și hidrometalurgice cu tehnica de leșiere cu ultrasunete în ceea ce privește avantajele și dezavantajele.

Dezavantajele reciclării convenționale a bateriilor

Metodele tradiționale utilizate pentru reciclarea bateriilor litiu-ion includ procesele pirometalurgice și hidrometalurgice.
 
Metode pirometalurgice implică procese la temperaturi ridicate, cum ar fi topirea sau incinerarea. Bateriile sunt supuse la căldură extremă, cauzând arderea componentelor organice, iar componentele metalice rămase sunt topite și separate. Cu toate acestea, aceste metode au unele dezavantaje:

  • Impactul asupra mediului: Procesele pirometalurgice eliberează emisii nocive și poluanți în atmosferă, contribuind la poluarea aerului și putând cauza pericole pentru sănătate.
  • Pierderea materialelor: Procesele la temperaturi ridicate pot duce la pierderea de materiale și metale valoroase din cauza degradării termice, reducând rata generală de recuperare.
  • Consum mare de energie: Aceste metode necesită, de obicei, un aport semnificativ de energie, ceea ce crește costurile operaționale și amprenta de mediu.

 
Metode hidrometalurgice implică levigarea chimică pentru a dizolva componentele bateriei și a extrage metale valoroase. În timp ce este mai ecologic decât metodele pirometalurgice, hidrometalurgia are propriile dezavantaje:

  • Utilizare chimică: Acizii puternici sau alte substanțe chimice corozive sunt necesare pentru levigare, ceea ce ridică îngrijorări cu privire la manipularea substanțelor chimice, gestionarea deșeurilor și potențiala contaminare a mediului.
  • Provocări legate de selectivitate: Realizarea levigării selective a metalelor dorite poate fi dificilă, ceea ce duce la rate de recuperare mai scăzute și la pierderea potențială a resurselor valoroase.

 

Avantajele leșierii bateriei cu ultrasunete față de tehnicile convenționale

În comparație cu tehnicile de reciclare pirometalurgică și hidrometalurgică, tehnica de reciclare a bateriilor cu ultrasunete depășește datorită diferitelor avantaje:

  1. Eficiență sporită: Sonicare cu ultrasunete poate accelera defalcarea materialelor bateriei, rezultând în timpi de procesare mai scurți și eficiență generală mai mare.
  2. Rate de recuperare îmbunătățite: Aplicarea controlată a cavitației cu ultrasunete îmbunătățește defalcarea componentelor bateriei, crescând ratele de recuperare a metalelor valoroase.
  3. Ecologice: Reciclarea cu ultrasunete reduce dependența de temperaturi ridicate și substanțe chimice dure, minimizând impactul asupra mediului și reducând emisiile de poluanți.
  4. Percolare selectivă: Aplicarea controlată a ultrasunetelor permite întreruperea țintită a componentelor specifice din baterie, separându-le eficient. Deoarece diferiți compuși ai bateriilor reciclabile sunt îndepărtați și dizolvați sub intensități ultrasonice specifice, parametrii optimizați de procesare permit o scurgere selectivă a materialelor individuale. Acest lucru facilitează separarea eficientă a metalelor și materialelor valoroase.
  5. Consum redus de energie: În comparație cu ambele, metodele hidrometalurgice și în special cu cele pirometalurgice, reciclarea cu ultrasunete este, în general, mai eficientă din punct de vedere energetic, ceea ce duce la costuri operaționale mai mici și la reducerea amprentei de carbon.
  6. Scalabilitate și flexibilitate: Sistemele cu ultrasunete pot fi ușor scalate în sus sau în jos pentru a se potrivi diferitelor dimensiuni ale bateriei și capacităților de producție. În plus, ultrasonicators pentru reciclarea bateriilor pot fi ușor integrate în instalațiile deja existente de reciclare a bateriilor. Disponibile la diferite scări de putere și accesorii potrivite, ar fi sonde cu ultrasunete și reactoare cu celule de flux, ultrasonicators pot manipula componente baterii de diferite dimensiuni și capacități de producție, oferind scalabilitate și adaptabilitate în procesele de reciclare.
  7. Integrare sinergică: Leșierea cu ultrasunete poate fi integrată în liniile existente de reciclare a bateriilor hidrometalurgice pentru a intensifica și îmbunătăți levigarea hidrometalurgică a metalelor și materialelor valoroase din bateriile Li-ion uzate.

În general, reciclarea bateriilor cu ultrasunete arată promisiunea ca o metodă mai ecologică, eficientă și selectivă în comparație cu abordările pirometalurgice și hidrometalurgice tradiționale.

 

Puternic cu ultrasunete Cavitatie la Hielscher cascatrode

Puternic cu ultrasunete Cavitatie la Hielscher cascatrode

 

Cerere de informatie





Leșiere industrială cu ultrasunete pentru recuperarea metalelor din bateriile uzate

Lichidarea cu ultrasunete și extracția metalică pot fi aplicate la procesele de reciclare a bateriilor cu oxid de litiu de cobalt (de exemplu, de la laptopuri, smartphone-uri etc.), precum și de la baterii complexe de litiu-nichel-mangan-cobalt (de exemplu, din vehicule electrice).
Reactor ultrasonic industrial multi-sondă pentru recuperarea metalelor din bateriile Li-ion uzate. Levigarea ultarsonică oferă randamente ridicate de recuperare a litiului, cobaltului, cuprului, aluminiului și nichelului.Ultrasunetele de mare putere sunt bine cunoscute pentru capacitatea lor de a procesa lichide și suspensii chimice pentru a îmbunătăți transferul de masă și a iniția reacții chimice.
Efectele intense ale ultrasonicii de putere se bazează pe fenomenul de cavitație acustică. Prin cuplarea ultrasunetelor de mare putere în lichide / suspensii, undele alternante de joasă presiune și de presiune înaltă în lichide generează bule mici de vid. Vacuzele de vid mici se dezvoltă în diferite cicluri de joasă presiune / presiune ridicată până la implantarea violentă. Buburile de vid în colaps pot fi considerate ca microrectoare în care temperaturile de până la 5000K, presiuni de până la 1000atm și ratele de încălzire și răcire mai mari de 10-10 întâmpla. În plus, sunt generate forțe hidrodinamice puternice de forfecare și jeturi lichide cu o viteză de până la 280 m/s. Aceste condiții extreme de cavitație acustică creează condiții fizice și chimice extraordinare în lichide altfel reci și creează un mediu benefic pentru reacțiile chimice (așa-numitele Sonochemistry).

Extracția cu ultrasunete în reciclarea bateriilor litiu ionizate. (Click pentru marire!)

Lichidarea cu ultrasunete a metalelor din deșeurile de baterii epuizate.

Cavitația generată cu ultrasunete poate induce termoliză a substanțelor dizolvate, precum și formarea radicalilor și reactivilor foarte reactivi, cum ar fi radicalii liberi, ionii de hidroxid (• OH), hidroniu (H3O +) etc., care asigură condiții reactive extraordinare în lichid astfel încât viteza de reacție să fie crescută în mod semnificativ. Solidele, cum ar fi particulele, sunt accelerate de jeturile lichide și sunt măcinate prin coliziune interparticulară și abraziune, mărind suprafața activă și, prin urmare, transferul de masă.
Marele avantaj al leșării cu ultrasunete și recuperarea metalelor este controlul precis asupra parametrilor procesului, cum ar fi amplitudinea, presiunea și temperatura. Acești parametri permit ajustarea condițiilor de reacție exact la mediul de proces și la ieșirea vizată. În plus, scurgerea cu ultrasunete îndepărtează chiar și cele mai mici particule de metal din substrat, păstrând în același timp microstructurile. Recuperarea metalului îmbunătățită se datorează creării cu ultrasunete a suprafețelor foarte reactive, ratelor de reacție crescute și transportului îmbunătățit în masă. Sonication procesele pot fi optimizate prin influențarea fiecărui parametru și, prin urmare, sunt nu numai foarte eficiente, dar și extrem de eficiente din punct de vedere energetic.
Controlul exact al parametrilor și eficiența energetică fac ca scurgerea cu ultrasunete să facă din tehnica favorabilă și excelentă – în special în comparație cu tehnicile complicate de leșiere cu acid și de chelare.

Recuperarea cu ultrasunete a LiCoO2 din bateriile litiu-ion uzate

Ultrasonicarea ajută la scurgerea reductivă și la precipitarea chimică, care sunt utilizate pentru a recupera Li ca Li2co3 și Co ca Co (OH)2 de la bateriile litiu-ion deșeuri.
Zhang și colab. (2014) raportează recuperarea cu succes a LiCoO2 folosind un reactor cu ultrasunete. pentru a pregăti soluția inițială de 600 ml, au plasat 10 g de LiCoO nevalid2 pulbere într-un pahar de laborator și s-au adăugat 2,0 mol / l soluție de LiOH, care au fost amestecate.
Amestecul a fost turnat în iradierea cu ultrasunete și dispozitivul de agitare a început, dispozitivul de agitare a fost plasat în interiorul recipientului de reacție. A fost încălzit la 120 ° C, iar apoi dispozitiv cu ultrasunete a fost setat la 800W iar modul de acționare cu ultrasunete a fost setat la cicluri de impulsuri de 5 secunde. ON / 2sec. OFF. Iradierea cu ultrasunete a fost aplicată timp de 6 ore și apoi amestecul de reacție a fost răcit la temperatura camerei. Reziduul solid a fost spălat de câteva ori cu apă deionizată și uscat la 80 ° C până la o greutate constantă. Eșantionul obținut a fost colectat pentru testarea ulterioară și producția de baterii. Capacitatea de încărcare în primul ciclu este de 134,2mAh / g, iar capacitatea de descărcare este de 133,5mAh / g. Prima încărcare și eficiența descărcării au fost de 99,5%. După 40 de cicluri, capacitatea de descărcare este în continuare de 132,9mAh / g. (Zhang și colab., 2014)
 

Ultrasonication de tip Proby îmbunătățește leșierea și recuperarea metalelor și materialelor prețioase din bateriile Li-ion uzate. Hielscher Ultrasonics furnizează ultrasonicators la cheie gata pentru instalarea în instalație de reciclare a bateriilor pentru randamente îmbunătățite de reciclare.

Cristale LiCoO2 utilizate înainte (a) și după (b) tratament cu ultrasunete la 120 ◦ C timp de 6 ore.
Studiu și imagini: ©Zhang et al. 2014

 
Leșierea cu ultrasunete cu acizi organici, ar fi acidul citric, nu este numai eficientă, ci și ecologică. Cercetările au constatat că levigarea Co și Li este mai eficientă cu acidul citric decât cu acizii anorganici H2SO4 și HCl. Mai mult de 96% Co și aproape 100% Li au fost recuperate din bateriile litiu-ion uzate. Faptul că acizii organici, ar fi acidul citric și acidul acetic sunt ieftine și biodegradabile, contribuie la alte avantaje economice și de mediu ale sonicare.

Ultrasonics industriale de mare putere pentru leșierea metalelor din bateriile uzate

UIP4000hdT - Hielscher's 4kW high-performance ultrasonic system Hielscher Ultrasonics este furnizorul dumneavoastră cu experiență îndelungată pentru sisteme cu ultrasunete extrem de eficiente și fiabile, care furnizează puterea necesară pentru a scurge metale din deșeuri. Pentru a reprocesa bateriile Li-ion prin extragerea metalelor precum cobalt, litiu, nichel și mangan, sistemele cu ultrasunete puternice și robuste sunt esențiale. Hielscher Ultrasonics unități industriale, ar fi UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW), și UIP16000 (16kW) sunt cele mai puternice și robuste sisteme cu ultrasunete de înaltă performanță de pe piață. Toate unitățile noastre industriale pot funcționa continuu cu amplitudini foarte mari de până la 200μm în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. Robustețea echipamentului cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 la grele și în medii solicitante. Hielscher furnizează sonotrodes speciale și reactoare pentru temperaturi ridicate, presiuni și lichide corozive, de asemenea. Acest lucru face ca ultrasonicators noastre industriale cele mai potrivite pentru tehnicile metalurgice extractive, de exemplu, tratamente hidrometalurgice.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității de procesare aproximativă a ultrasonicators noastre:

volum lotDebitAparate recomandate
0.1 la 20L0.2 4L / minUIP2000hdT
10 100L2 până la 10L / minUIP4000hdT
20 până la 200L4 până la 20L / minUIP6000hdT
N / A.10 la 100L / minUIP16000
N / A.mai maregrup de UIP16000

Contacteaza-ne! / Intreaba-ne!

Va rugam sa folositi formularul de mai jos, în cazul în care doriți să solicite informații suplimentare cu privire la omogenizare cu ultrasunete. Vom fi bucuroși să vă oferim un sistem de ultrasunete îndeplinesc cerințele dumneavoastră.









Vă rugăm să rețineți Politica de confidentialitate.




Ce trebuie să știți

Baterii litiu-ion

Bateriile litiu-ion (LIB) reprezintă bateria colectivă pentru bateriile (reîncărcabile) care oferă o densitate mare de energie și sunt frecvent integrate în electronice de consum, cum ar fi automobilele electronice, automobilele hibride, laptopurile, telefoanele mobile, iPod-urile etc. alte variante ale bateriilor reîncărcabile cu dimensiuni și capacități similare, LIB-urile sunt mult mai ușoare.
Spre deosebire de bateria primară de litiu de unică folosință, un LIB folosește un compus de litiu intercalat în loc de litiu metalic ca electrod. Componentele principale ale unei baterii cu litiu-ion sunt electrozii săi – anod și catod – și electrolitul.
Majoritatea celulelor au componente comune în ceea ce privește electrolitul, separatorul, foliile și carcasa. Diferența majoră dintre tehnologiile celulare este materialul folosit ca “materiale active” cum ar fi catodul și anodul. Grafitul este materialul cel mai frecvent utilizat ca anod, în timp ce catodul este fabricat din straturi LiMO2 (M = Mn, Co și Ni), spinel LiMn2O4, sau olivină LiFePO4. Electroliții lichizi organici electroliți (de exemplu, sarea LiPF6 dizolvată într-un amestec de solvenți organici, cum ar fi carbonatul de etilenă (EC), carbonatul de dimetil (DMC), carbonatul de dietil (DEC), carbonatul de metil etil etc. mișcare ionică.
În funcție de materialele electrozi pozitivi (catozi) și negativi (anodici), densitatea și tensiunea de energie ale LIB-urilor variază.
Atunci când este utilizat în vehicule electrice, se folosește adesea bateria vehiculului electric (EVB) sau bateria de tracțiune. Astfel de baterii de tracțiune sunt utilizate în stivuitoare, cărucioare electrice de golf, scruber podea, motociclete electrice, mașini electrice, camioane, furgoane și alte vehicule electrice.

Reciclarea metalelor de la bateriile litiu uzate

În comparație cu alte tipuri de baterii care conțin adesea plumb sau cadmiu, bateriile Li-ion conțin metale mai puțin toxice și, prin urmare, sunt considerate ecologice. Cu toate acestea, cantitatea mare de baterii Li-ion consumate, care vor trebui eliminate ca baterii uzate de la autovehiculele electrice, prezintă o problemă privind deșeurile. Prin urmare, este necesară o buclă închisă de reciclare a bateriilor Li-ion. Din punct de vedere economic, elementele metalice, cum ar fi fier, cupru, nichel, cobalt și litiu, pot fi recuperate și reutilizate în producția de baterii noi. Reciclarea ar putea preveni și o lipsă viitoare.
Deși bateriile cu sarcini mai mari de nichel intră pe piață, nu este posibilă producerea de baterii fără cobalt. Conținutul mai mare de nichel are un cost: Cu un conținut crescut de nichel, stabilitatea bateriei este scăzută și prin urmare durata de viață a acestuia și capacitatea de încărcare rapidă sunt reduse.

Creșterea cererii pentru bateriile Li-ion. Sursa: Deutsche Bank

Creșterea cererii pentru bateriile Li-ion necesită creșterea capacităților de reciclare a bateriilor uzate.

Procesul de reciclare

Bateriile vehiculelor electrice, cum ar fi Tesla Roadster, au o durată de viață aproximativă de 10 ani.
Reciclarea bateriilor Li-ion epuizate este un proces pretențios, deoarece sunt implicate tensiuni înalte și substanțe chimice periculoase, care prezintă riscul de răscolire termică, șoc electric și emisii de substanțe periculoase.
Pentru a stabili o reciclare în buclă închisă, fiecare legătură chimică și toate elementele trebuie separate în fracțiunile lor individuale. Cu toate acestea, energia necesară pentru o astfel de reciclare cu buclă închisă este foarte costisitoare. Cele mai valoroase materiale pentru recuperare sunt metalele precum Ni, Co, Cu, Li, etc., deoarece extracția costisitoare și prețurile ridicate de piață ale componentelor metalice fac reciclarea atractivă din punct de vedere economic.
Procesul de reciclare a bateriilor Li-ion începe cu dezmembrarea și descărcarea bateriilor. Înainte de a deschide bateria, este necesară o pasivare pentru a inactiva substanțele chimice din baterie. Pasivarea poate fi realizată prin congelare criogenică sau oxidare controlată. În funcție de mărimea bateriei, bateriile pot fi demontate și dezasamblate în jos în celulă. După dezmembrare și strivire, componentele sunt izolate prin mai multe metode (de exemplu, screening, cernere, picking manual, separare magnetică, umedă și balistică) pentru a îndepărta carcasele de celule, aluminiu, cupru și materiale plastice din pulberea electrodului. Separarea materialelor electrod este necesară pentru procesele din aval, de exemplu tratamentul hidrometalurgic.
Piroliza
Pentru prelucrarea pirolitică, bateriile mărunțite sunt topite într-un cuptor în care se adaugă calcar ca agent de formare a zgurii.

Procese hidrotermale
Procesarea hidrometalurgică se bazează pe reacții acide pentru a precipita sărurile ca metale. Procesele hidrometalurgice tipice includ leșierea, precipitarea, schimbarea de ioni, extracția cu solvent și electroliza soluțiilor apoase.
Avantajul procesării hidrotermale este randamentul ridicat de recuperare de + 95% din Ni și Co ca săruri, + 90% din Li pot fi precipitate, iar restul poate fi recuperat până la + 80%.

Mai ales cobaltul este o componentă critică în catodii de baterii litiu-ion pentru aplicații de energie și energie înaltă.
Vehiculele hibride actuale, cum ar fi Toyota Prius, utilizează baterii de nichel metal hidrură, care sunt demontate, descărcate și reciclate în mod similar cu bateriile Li-ion.

Literatura / Referințe

  • 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 produce ultrasonicatoare de înaltă performanță.

Sonicare puternică de la laborator și bench-top la producția industrială.

Vom fi bucuroși să discutăm despre procesul dvs.

Să intrăm în contact.