Ультразвуковая переработка литиево-ионных батарей
- Литий-ионные батареи, используемые в электромобилях, только сейчас выходят на массовый рынок, и вместе с этим необходимо развивать мощности по переработке.
- Ультразвуковое выщелачивание является эффективным, экологически чистым методом для извлечения металлов, таких как Li, Mg, Co, Ni и т. Д. Из отработанных литий-ионных батарей.
- Промышленные ультразвуковые системы Hielscher для выщелачивания являются надежными и надежными и могут быть легко интегрированы в существующие установки по переработке.
Утилизация литий-ионных батарей
Литий-ионные аккумуляторы широко используются в электромобилях (EV), ноутбуках и сотовых телефонах. Это означает, что отработанные литий-ионные аккумуляторы являются текущей проблемой в области обращения с отходами и переработки отходов. Батареи являются основным драйвером затрат для EVs, и их утилизация является дорогостоящим, тоже. Экологические и экономичными аспектами подталкивают к замкнутой петле переработки, так как отходы батареи содержат ценные материалы и помогают уменьшить углеродный след производства литий-ионных батарей.
Утилизация литий-ионных батарей растет в процветающем промышленном секторе, чтобы обеспечить будущую доступность редкоземельных металлов и других компонентов батареи и снизить экологические издержки добычи.
Промышленное ультразвуковое выщелачивание
Ультразвуковое выщелачивание и экстракция металлов могут применяться для процессов рециркуляции оксидных элементов из литиевого кобальта (например, с ноутбуков, смартфонов и т. Д.), А также сложных литий-никель-марганцево-кобальтовых батарей (например, от электромобилей).
Мощное ультразвуковое исследование хорошо известно своей способностью обрабатывать химические жидкости и суспензии для улучшения массопереноса и инициирования химических реакций.
Интенсивное воздействие ультразвуковой энергии основано на явлении акустической кавитации. Путем соединения высокомощного ультразвука с жидкостями / суспензиями переменные волны низкого давления и высокого давления в жидкостях создают небольшие вакуумные пузырьки. Небольшие вакуумные пустоты растут по различным циклам низкого давления / высокого давления до тех пор, пока они не будут сильно взрываться. Коллапсирующие вакуумные пузырьки можно рассматривать как микрореакторы, в которых температуры до 5000 К, давления до 1000 атм и скорости нагрева и охлаждения выше 10-10 происходят. Кроме того, генерируются сильные гидродинамические сдвиговые силы и струи жидкости со скоростью до 280 м / с. Эти экстремальные условия акустической кавитации создают необычные физические и химические условия в холодных жидкостях и создают благоприятную среду для химических реакций (Sonochemistry).
Ультразвуковой процессор 48 кВт
для требовательных применений, таких как выщелачивание металлов
Ультразвуковое выщелачивание металлов из отработанных батарейных отходов.
Большим преимуществом ультразвукового выщелачивания и извлечения металла является точное управление параметрами процесса, такими как амплитуда, давление и температура. Эти параметры позволяют точно настроить условия реакции на технологическую среду и целевой выход. Кроме того, ультразвуковое выщелачивание удаляет даже самые мелкие частицы металла из подложки, сохраняя при этом микроструктуры. Усовершенствованная регенерация металла обусловлена ультразвуковым созданием высокореактивных поверхностей, повышенной скоростью реакции и улучшенным массопереносом. Процессы обработки ультразвука могут быть оптимизированы, влияя на каждый параметр и, следовательно, не только очень эффективны, но и очень энергоэффективны.
Его точный контроль параметров и энергоэффективность делают ультразвуковое выщелачивание благоприятным и превосходным методом – особенно по сравнению со сложным кислотным выщелачиванием и методами хелирования.
Ультразвуковое восстановление LiCoO2 от использованных литий-ионных аккумуляторов
Ультразвук способствует восстановительному выщелачиванию и химическому осаждению, которые используются для восстановления Li как Li2Колорадо3 и Co в виде Co (OH)2 от литий-ионных батарей.
Zhang et al. (2014) сообщают об успешном восстановлении LiCoO2 используя ультразвуковой реактор. для того, чтобы подготовить исходный раствор 600 мл, они разместили 10 г недействительного LiCoO2 порошок в стакане и добавляли 2,0 моль / л раствора LiOH, которые смешивали.
Смесь выливают в ультразвуковое облучение и запускают перемешивающее устройство, перемешивающее устройство помещают внутри реакционного сосуда. Его нагревали до 120 ° С, а затем Ультразвуковое устройство был установлен на 800 Вт, а ультразвуковой режим действия был установлен на импульсные рабочие циклы продолжительностью 5 секунд. ON / 2сек. OFF. Ультразвуковое облучение применяли в течение 6 ч, а затем реакционную смесь охлаждали до комнатной температуры. Твердый остаток промывали несколько раз деионизированной водой и сушили при 80 ° С до достижения постоянной массы. Полученный образец был собран для последующего тестирования и производства батареи. Емкость заряда в первом цикле составляет 134,2 мАч / г, а разрядная емкость - 133,5 мАч / г. Первоначальная эффективность заряда и разряда составила 99,5%. После 40 циклов разрядная емкость 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. источник: Zhang et al. 2014
Ультразвуковое выщелачивание органическими кислотами, такими как лимонная кислота, не только эффективно, но и экологически безопасно. Исследования показали, что выщелачивание Co и Li более эффективно с лимонной кислотой, чем с неорганическими кислотами H2ТАК4 и HCl. Более 96% Co и почти 100% Li были извлечены из отработанных литий-ионных батарей. Тот факт, что органические кислоты, такие как лимонная кислота и уксусная кислота, являются недорогими и биоразлагаемыми, способствует дальнейшим экономическим и экологическим преимуществам обработки ультразвуком.
Мощные промышленные ультразвуковые приборы
Hielscher Ultrasonics - ваш опытный поставщик высокоэффективных и надежных ультразвуковых систем, которые обеспечивают требуемую мощность для выщелачивания металлов из отходов. Для переработки литий-ионных аккумуляторов путем извлечения металлов, таких как кобальт, литий, никель и марганец, необходимы мощные и надежные ультразвуковые системы. Hielscher Ultrasonics’ таких, как UIP4000hdT (4 кВт), UIP10000 (10 кВт) а также UIP16000 (16 кВт) являются самыми мощными и надежными высокоэффективными ультразвуковыми системами на рынке. Все наши промышленные установки могут непрерывно работать с очень большими амплитудами до 200μm в 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны ультразвуковые ультразвуковые ультразвуки. Устойчивость ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать круглосуточно и в тяжелых условиях и в сложных условиях. Hielscher поставляет специальные сонотроды и реакторы для высоких температур, давлений и агрессивных жидкостей. Это делает наши промышленные ультразвуковые приборы наиболее подходящими для методов экстракционной металлургии, например, гидрометаллургических обработок.
В приведенной ниже таблице приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Скорость потока | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4L / мин | UIP2000hdT |
| От 10 до 100 литров | От 2 до 10 л / мин | UIP4000 |
| не доступно | От 10 до 100 л / мин | UIP16000 |
| не доступно | больше | кластер UIP16000 |
Литература / Ссылки
- Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): Восстановление лития и кобальта из отработанных литий-ионных батарей с использованием органических кислот: оптимизация процессов и кинетические аспекты. Управление отходами 64, 2017. 244-254.
- Шин С.-М .; Lee D.-W .; Wang J.-P. (2018): Изготовление наносимого никелем порошка из LiNiO2 от использованной литий-ионной батареи. Металлы 8, 2018.
- Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Гидротермальное восстановление LiCoO с помощью ультразвука2 от катода отработанных литий-ионных батарей. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
- Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Восстановление оксида лития из оксида кобальта из катода отработавших литий-ионных батарей. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.
Полезные сведения
Литий-ионные батареи
Литий-ионные батареи (LIB) - это коллективный термин для (перезаряжаемых) батарей, 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 другие варианты перезаряжаемых батарей с аналогичным размером и емкостью, LIB значительно легче.
В отличие от одноразовой литиевой первичной батареи, LIB использует интеркалированное соединение лития вместо металлического лития в качестве своего электрода. Основными составляющими литий-ионной батареи являются ее электроды – анод и катод – и электролит.
Большинство клеток имеют общие компоненты с точки зрения электролита, сепаратора, фольги и оболочки. Основное различие между клеточными технологиями - это материал, используемый в качестве “активные материалы” таких как катод и анод. Графит является наиболее часто используемым материалом в качестве анода, в то время как катод выполнен из слоистого LiMO2 (M = Mn, Co и Ni), шпинель LiMn2О4, или оливином LiFePO4, Электролиты органического жидкого электролита (например, соль LiPF6, растворенные в смеси органических растворителей, таких как этиленкарбонат (ЕС), диметилкарбонат (DMC), диэтилкарбонат (DEC), этилметилкарбонат (EMC) и т. Д.), Позволяют ионного движения.
В зависимости от положительных (катодных) и отрицательных (анодных) материалов электродов плотность энергии и напряжение LIB меняются соответственно.
При использовании в электромобилях часто используется аккумулятор электромобиля (EVB) или тяговый аккумулятор. Такие тяговые батареи используются в вилочных погрузчиках, электрических тележках для гольфа, напольных скрубберах, электрических мотоциклах, электромобилях, грузовиках, фургонах и других электромобилях.
Переработка металла из отработанных литий-ионных батарей
По сравнению с другими типами батарей, которые часто содержат свинец или кадмий, литий-ионные батареи содержат менее токсичные металлы и поэтому считаются экологически чистыми. Тем не менее, огромное количество отработанных литий-ионных батарей, которые придется утилизировать в качестве отработанных батарей от электромобилей, представляет собой проблему с отходами. Поэтому необходим замкнутый цикл рециркуляции литий-ионных батарей. С экономической точки зрения металлические элементы, такие как железо, медь, никель, кобальт и литий, могут быть извлечены и повторно использованы при производстве новых батарей. Утилизация может также предотвратить будущий дефицит.
Хотя на рынок выходят батареи с более высоким зарядом никеля, невозможно производить батареи без кобальта. Чем выше содержание никеля, тем выше стоимость: при увеличенном содержании никеля стабильность батареи уменьшается и, следовательно, уменьшается ее срок службы и способность быстрой зарядки.
Растущий спрос на литий-ионные батареи требует увеличения объемов переработки для отработанных батарей.
Процесс переработки
Батареи электромобилей, таких как родстер Tesla Roadster, имеют приблизительный срок службы 10 лет.
Утилизация истощенных литий-ионных батарей является сложным процессом, поскольку задействованы высоковольтные и опасные химические вещества, которые сопряжены с опасностью термического утечки, поражения электрическим током и выброса опасных веществ.
Чтобы установить рециркуляцию замкнутого цикла, каждая химическая связь и все элементы должны быть разделены на отдельные фракции. Однако энергия, требуемая для такой замкнутой рециркуляции, очень дорога. Наиболее ценными материалами для извлечения являются металлы, такие как Ni, Co, Cu, Li и т. Д., Так как дорогостоящая горная промышленность и высокие рыночные цены на металлические компоненты делают экономику привлекательной.
Процесс утилизации литий-ионных аккумуляторов начинается с демонтажа и разрядки батарей. Перед открытием батареи требуется пассивация, чтобы инактивировать химикаты в батарее. Пассивация может быть достигнута путем криогенного замораживания или контролируемого окисления. В зависимости от размера батареи батареи можно демонтировать и разобрать до ячейки. После демонтажа и дробления компоненты изолируются несколькими способами (например, скрининг, просеивание, сбор рук, магнитное, мокрое и баллистическое разделение), чтобы удалить кожухи электродов, алюминий, медь и пластмассы из электродного порошка. Разделение электродных материалов необходимо для последующих процессов, например гидрометаллургической обработки.
Пиролиз
Для пиролитической обработки измельченные батареи выплавляются в печи, где известняк добавляют в качестве шлакообразующего агента.
Гидротермальные процессы
Гидрометаллургическая обработка основана на кислотных реакциях для осаждения солей в виде металлов. Типичные гидрометаллургические процессы включают выщелачивание, осаждение, ионный обмен, экстракцию растворителем и электролиз водных растворов.
Преимуществом гидротермической переработки является высокий выход извлечения + 95% Ni и Co в виде солей, + 90% Li могут осаждаться, а остальная часть может быть восстановлена до + 80%.
Особенно кобальт является критическим компонентом в катодах с литиево-ионным аккумулятором для применения в высоких энергиях и мощности.
В современных гибридных автомобилях, таких как Toyota Prius, используются никель-металлогидридные батареи, которые демонтируются, разряжаются и перерабатываются аналогично литий-ионным батареям.
Мощная обработка ультразвуком от лаборатории и настольного компьютера до промышленного производства.