• 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.

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.

 

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).
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).

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)
 

 
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

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:

---

---

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.