Ультразвуковое излучение для переработки литий-ионных аккумуляторов
- Литий-ионные аккумуляторы, используемые в электромобилях, только сейчас выходят на массовый рынок, а вместе с ним и должны развиваться мощности по переработке.
- Ультразвуковое выщелачивание является эффективным, экологически чистым методом извлечения таких металлов, как Li, Mg, Co, Ni и т. д., из отработанных литий-ионных аккумуляторов.
- Промышленные ультразвуковые системы Hielscher для выщелачивания надежны и долговечны и могут быть легко интегрированы в существующие перерабатывающие установки.
Переработка литий-ионных аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы широко используются в электромобилях (EV), ноутбуках и сотовых телефонах. Это означает, что отработанные литий-ионные аккумуляторы являются актуальной проблемой с точки зрения утилизации и переработки отходов. Аккумуляторы являются основным фактором стоимости для электромобилей, и их утилизация также обходится дорого. Экологические и экономические аспекты подталкивают к замкнутому циклу переработки, поскольку отходы аккумуляторов содержат ценные материалы и помогают снизить углеродный след при производстве литий-ионных аккумуляторов.
Переработка литий-ионных аккумуляторов становится процветающим сектором промышленности, чтобы обеспечить будущую доступность редкоземельных металлов и других компонентов аккумуляторов, а также снизить экологические затраты на добычу полезных ископаемых.
Ультразвуковой процессор мощностью 48 кВт
Для сложных задач, таких как выщелачивание металлов
Пирометаллургическая и гидрометаллургическая переработка в сравнении с ультразвуковой переработкой аккумуляторов
Ниже мы сравним традиционные методы пирометаллургических и гидрометаллургических процессов с методом ультразвукового выщелачивания на предмет преимуществ и недостатков.
Недостатки традиционной переработки батареек
К традиционным методам утилизации литий-ионных аккумуляторов относятся пирометаллургические и гидрометаллургические процессы.
Пирометаллургические методы включают в себя высокотемпературные процессы, такие как плавка или сжигание. Батареи подвергаются сильному нагреву, в результате чего органические компоненты сгорают, а оставшиеся металлические компоненты плавятся и отделяются. Однако у этих способов есть и некоторые недостатки:
- Воздействие на окружающую среду: Пирометаллургические процессы выбрасывают в атмосферу вредные выбросы и загрязняющие вещества, способствуя загрязнению воздуха и потенциально представляя опасность для здоровья.
- Потеря материалов: Высокотемпературные процессы могут привести к потере ценных материалов и металлов из-за термической деградации, что снижает общую скорость восстановления.
- Энергоемкий: Эти методы обычно требуют значительных затрат энергии, что увеличивает эксплуатационные расходы и воздействие на окружающую среду.
Гидрометаллургические методы включает в себя химическое выщелачивание для растворения компонентов батареи и извлечения ценных металлов. Будучи более экологичной, чем пирометаллургические методы, гидрометаллургия имеет свои недостатки:
- Использование в качестве химиката: Для выщелачивания необходимы сильные кислоты или другие коррозионные химические вещества, что вызывает опасения по поводу обращения с химикатами, управления отходами и потенциального загрязнения окружающей среды.
- Проблемы избирательности: Достижение селективного выщелачивания желаемых металлов может быть затруднено, что приводит к снижению коэффициентов извлечения и потенциальной потере ценных ресурсов.
Преимущества ультразвукового выщелачивания батарей по сравнению с традиционными методами
По сравнению с пирометаллургическими и гидрометаллургическими методами переработки, ультразвуковая технология переработки аккумуляторов превосходит ее благодаря различным преимуществам:
- Повышенная эффективность: Ультразвуковая ультразвук может ускорить расщепление материалов батареи, что приводит к сокращению времени обработки и повышению общей эффективности.
- Улучшенные показатели восстановления: Контролируемое применение ультразвуковой кавитации усиливает разрушение компонентов аккумулятора, увеличивая скорость восстановления ценных металлов.
- Экологичность: Ультразвуковая переработка снижает зависимость от высоких температур и агрессивных химических веществ, сводя к минимуму воздействие на окружающую среду и снижая выбросы загрязняющих веществ.
- Селективное выщелачивание: Контролируемое применение ультразвука позволяет целенаправленно разрушать определенные компоненты внутри батареи, эффективно разделяя их. Поскольку различные соединения аккумуляторов, пригодные для вторичной переработки, удаляются и растворяются под определенной интенсивностью ультразвука, оптимизированные параметры обработки позволяют проводить селективное выщелачивание отдельных материалов. Это способствует эффективному разделению ценных металлов и материалов.
- Снижение энергопотребления: По сравнению с гидрометаллургическими и особенно пирометаллургическими методами, ультразвуковая переработка, как правило, более энергоэффективна, что приводит к снижению эксплуатационных расходов и уменьшению углеродного следа.
- Масштабируемость и гибкость: Ультразвуковые системы можно легко масштабировать вверх или вниз для работы с батареями различных размеров и производственной мощности. Кроме того, ультразвуковые аппараты для переработки аккумуляторов могут быть легко интегрированы в уже существующие предприятия по переработке аккумуляторов. Ультразвуковые аппараты с различными уровнями мощности и соответствующими аксессуарами, такими как ультразвуковые зонды и реакторы с проточными ячейками, могут работать с компонентами батарей различных размеров и производственных мощностей, обеспечивая масштабируемость и адаптируемость в процессах переработки.
- Синергетическая интеграция: Ультразвуковое выщелачивание может быть интегрировано в существующие линии гидрометаллургической переработки аккумуляторов с целью интенсификации и улучшения гидрометаллургического выщелачивания ценных металлов и материалов из отработанных литий-ионных аккумуляторов.
В целом, ультразвуковая переработка батарей является более экологичным, эффективным и избирательным методом по сравнению с традиционными пирометаллургическими и гидрометаллургическими подходами.
Мощная ультразвуковая кавитация в Hielscher Cascatrode
Промышленное ультразвуковое выщелачивание для извлечения металлов из отработанных батареек
Ультразвуковое выщелачивание и извлечение металлов могут применяться в процессах переработки литий-кобальт-оксидных батарей (например, от ноутбуков, смартфонов и т. д.), а также сложных литий-никель-марганцево-кобальтовых батарей (например, от электромобилей).
Мощный ультразвук хорошо известен своей способностью обрабатывать химические жидкости и суспензии с целью улучшения массопереноса и инициирования химических реакций.
Интенсивные эффекты силового ультразвука основаны на явлении акустической кавитации. Связывая мощный ультразвук с жидкостями / суспензиями, чередующиеся волны низкого и высокого давления в жидкостях генерируют небольшие вакуумные пузырьки. Небольшие вакуумные пустоты растут в течение различных циклов низкого и высокого давления до тех пор, пока они не взорвутся с силой. Схлопывающиеся вакуумные пузырьки можно рассматривать как микрореакторы с температурой до 5000 К, давлением до 1000 атм, а также скоростью нагрева и охлаждения выше 10-10 происходить. Кроме того, создаются сильные гидродинамические сдвиговые силы и струи жидкости со скоростью до 280 м/с. Эти экстремальные условия акустической кавитации создают исключительные физические и химические условия в холодных жидкостях и создают благоприятную среду для химических реакций (так называемых Сонохимия).
Ультразвуковое выщелачивание металлов из отработанных отходов аккумуляторных батарей.
Большим преимуществом ультразвукового выщелачивания и восстановления металлов является точный контроль над такими параметрами процесса, как амплитуда, давление и температура. Эти параметры позволяют точно подстраивать условия реакции под технологическую среду и заданный выход. Кроме того, ультразвуковое выщелачивание удаляет даже мельчайшие металлические частицы с подложки, сохраняя при этом микроструктуру. Повышенное извлечение металлов происходит за счет создания ультразвуком высокореакционноспособных поверхностей, увеличения скорости реакции и улучшенного массопереноса. Процессы ультразвуковой обработки могут быть оптимизированы путем воздействия на каждый параметр, поэтому они не только очень эффективны, но и очень энергоэффективны.
Точный контроль параметров и энергоэффективность делают ультразвуковое выщелачивание выгодным и превосходным методом – особенно по сравнению со сложными методами кислотного выщелачивания и хелатирования.
Ультразвуковое восстановление LiCoO2 из отработанных литий-ионных аккумуляторов
Ультразвуковое излучение способствует восстановительному выщелачиванию и химическому осаждению, которые используются для восстановления Li в виде Li2СО3 и Co в качестве Co(OH)2 из отработанных литий-ионных аккумуляторов.
Zhang et al. (2014) сообщают об успешном восстановлении LiCoO2 с помощью ультразвукового реактора. для того чтобы приготовить стартовый раствор объемом 600 мл, они поместили 10 г недействительного LiCoO2 порошок в стакан и добавили 2,0 моль/л раствора LiOH, которые перемешали.
Смесь заливали в ультразвуковое облучение и запускали перемешивающее устройство, которое помещалось внутрь реакционной емкости. Его нагревали до 120°С, а затем Ультразвуковой аппарат была установлена на 800 Вт, а ультразвуковой режим работы был установлен на импульсные рабочие циклы 5 сек. ВКЛ / 2 сек. ВЫКЛ. Ультразвуковое облучение применялось в течение 6 часов, а затем реакционная смесь охлаждалась до комнатной температуры. Твердый остаток несколько раз промывали деионизированной водой и сушили при 80°С до постоянного веса. Полученный образец был собран для последующих испытаний и производства аккумуляторов. Емкость заряда в первом цикле составляет 134,2 мАч/г, а емкость разряда — 133,5 мАч/г. Эффективность первого заряда и разряда составила 99,5%. После 40 циклов разрядная способность по-прежнему составляет 132,9 мАч/г. (Zhang et al. 2014)
Использовали кристаллы LiCoO2 до (а) и после (б) ультразвуковой обработки при 120°С в течение 6 ч.
Исследование и изображения: ©Zhang et al. 2014
Ультразвуковое выщелачивание органическими кислотами, такими как лимонная кислота, не только эффективно, но и экологично. Исследования показали, что выщелачивание Co и Li более эффективно с лимонной кислотой, чем с неорганическими кислотами H2SO4 и HCl. Более 96% Co и почти 100% Li были извлечены из отработанных литий-ионных аккумуляторов. Тот факт, что органические кислоты, такие как лимонная кислота и уксусная кислота, являются недорогими и биоразлагаемыми, способствует дополнительным экономическим и экологическим преимуществам ультразвуковой обработки.
Мощный промышленный ультразвук для выщелачивания металла из отработанных батареек
Hielscher Ultrasonics является вашим многолетним поставщиком высокоэффективных и надежных ультразвуковых систем, которые обеспечивают необходимую мощность для выщелачивания металлов из отходов. Для переработки литий-ионных аккумуляторов путем извлечения таких металлов, как кобальт, литий, никель и марганец, необходимы мощные и надежные ультразвуковые системы. Промышленные установки Hielscher Ultrasonics, такие как UIP4000hdT (4 кВт), UIP6000hdT (6 кВт), UIP10000 (10 кВт) и UIP16000 (16 кВт), являются самыми мощными и надежными высокопроизводительными ультразвуковыми системами на рынке. Все наши промышленные установки могут работать непрерывно с очень высокой амплитудой до 200 мкм в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях и в сложных условиях. Hielscher также поставляет специальные сонотроды и реакторы для высоких температур, давления и коррозионных жидкостей. Это делает наши промышленные ультразвуковые аппараты наиболее подходящими для технологий экстракционной металлургии, например, гидрометаллургической обработки.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| От 20 до 200 л | От 4 до 20 л/мин | УИП6000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Факты, которые стоит знать
Литий-ионные аккумуляторы
Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) являются основой для (перезаряжаемых) аккумуляторов, которые обеспечивают высокую плотность энергии и часто интегрируются в бытовую электронику, такую как электронные автомобили, гибридные автомобили, ноутбуки, сотовые телефоны, iPod и т. д. По сравнению с другими вариантами аккумуляторных батарей аналогичного размера и емкости, ЛИА значительно легче.
В отличие от одноразовой литиевой первичной батареи, в ЛИА в качестве электрода используется интеркалированное соединение лития вместо металлического лития. Основными составляющими литий-ионного аккумулятора являются его электроды – анод и катод – и электролит.
Большинство ячеек имеют общие компоненты с точки зрения электролита, сепаратора, фольги и корпуса. Основное различие между технологиями ячеек заключается в материале, используемом в качестве “активные материалы” такие как катод и анод. Графит является наиболее часто используемым материалом в качестве анода, в то время как катод изготавливается из слоистого LiMO2 (M = Mn, Co и Ni), шпинели LiMn2O4, или оливин LiFePO4. Электролит органические жидкие электролиты (например, соль LiPF6, растворенная в смеси органических растворителей, таких как этиленкарбонат (EC), диметилкарбонат (DMC), диэтилкарбонат (DEC), этилметилкарбонат (EMC) и т.д.) обеспечивают ионное движение.
В зависимости от материалов положительного (катодного) и отрицательного (анодного) электродов плотность энергии и напряжение ЛИА изменяются соответственно.
При использовании в электромобилях часто используется аккумулятор электромобиля (EVB) или тяговый аккумулятор. Такие тяговые батареи используются в вилочных погрузчиках, электрических гольф-карах, поломоечных машинах, электрических мотоциклах, электромобилях, грузовиках, фургонах и других электромобилях.
Переработка металла из отработанных литий-ионных аккумуляторов
По сравнению с другими типами аккумуляторов, которые часто содержат свинец или кадмий, литий-ионные аккумуляторы содержат меньше токсичных металлов и поэтому считаются экологически чистыми. Тем не менее, огромное количество отработанных литий-ионных аккумуляторов, которые придется утилизировать как отработанные батареи от электромобилей, представляет собой проблему отходов. Поэтому необходим замкнутый цикл переработки литий-ионных аккумуляторов. С экономической точки зрения, металлические элементы, такие как железо, медь, никель, кобальт и литий, могут быть восстановлены и повторно использованы в производстве новых аккумуляторов. Переработка также может предотвратить дефицит в будущем.
Несмотря на то, что на рынке появляются аккумуляторы с более высоким содержанием никеля, производство аккумуляторов без кобальта невозможно. Более высокое содержание никеля имеет свою цену: при повышенном содержании никеля снижается стабильность батареи и, следовательно, снижается срок ее службы и способность к быстрой зарядке.
Растущий спрос на литий-ионные аккумуляторы требует увеличения мощностей по переработке отработанных аккумуляторов.
Процесс переработки
Аккумуляторы электромобилей, таких как Tesla Roadster, имеют приблизительный срок службы 10 лет.
Утилизация отработавших свой ресурс литий-ионных аккумуляторов является сложным процессом, поскольку в нем задействовано высокое напряжение и опасные химические вещества, что сопряжено с риском теплового разгона, поражения электрическим током и выброса опасных веществ.
Чтобы наладить замкнутый цикл переработки, каждая химическая связь и все элементы должны быть разделены на отдельные фракции. Тем не менее, энергия, необходимая для такого замкнутого цикла переработки, очень дорога. Наиболее ценными материалами для утилизации являются такие металлы, как Ni, Co, Cu, Li и др., так как дорогостоящая добыча и высокие рыночные цены на металлические компоненты делают переработку экономически привлекательной.
Процесс переработки литий-ионных аккумуляторов начинается с демонтажа и разрядки аккумуляторов. Перед вскрытием батареи требуется пассивация для инактивации химических веществ в батарее. Пассивация может быть достигнута путем криогенного замораживания или контролируемого окисления. В зависимости от размера батареи батареи могут быть демонтированы и разобраны вплоть до элемента. После демонтажа и дробления компоненты изолируются с помощью нескольких методов (например, просеивание, просеивание, ручной отбор, магнитная, влажная и баллистическая сепарация) для удаления корпусов ячеек, алюминия, меди и пластмасс из электродного порошка. Разделение электродных материалов необходимо для последующих процессов, например, гидрометаллургической обработки.
пиролиз
Для пиролитической обработки измельченные батареи плавятся в печи, где в качестве шлакообразующего агента добавляется известняк.
Гидротермальные процессы
Гидрометаллургическая обработка основана на кислотных реакциях с целью осаждения солей в виде металлов. Типичные гидрометаллургические процессы включают выщелачивание, осаждение, ионный обмен, экстракцию растворителем и электролиз водных растворов.
Преимуществом гидротермальной обработки является высокий выход извлечения +95% Ni и Co в виде солей, +90% Li может быть осаждено, а остальное может быть восстановлено до +80%.
В частности, кобальт является важным компонентом катодов литий-ионных аккумуляторов для высокоэнергетических и энергетических приложений.
В современных гибридных автомобилях, таких как Toyota Prius, используются никель-металлгидридные аккумуляторы, которые разбираются, разряжаются и перерабатываются так же, как и литий-ионные аккумуляторы.
Литература/Литература
- 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.
Мощная ультразвуковая обработка от лабораторных и настольных до промышленных производств.