Ультразвук для переработки литий-ионных аккумуляторов

• Литий-ионные аккумуляторы, используемые в электромобилях, только сейчас выходят на массовый рынок, и вместе с этим необходимо развивать мощности по их переработке.
• Ультразвуковое выщелачивание – эффективный, экологически безопасный метод извлечения таких металлов, как Li, Mg, Co, Ni и др., из отработанных литий-ионных аккумуляторов.
• Промышленные ультразвуковые системы Hielscher для выщелачивания надежны и прочны и могут быть легко интегрированы в существующие предприятия по переработке.

Переработка литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы широко используются в электромобилях (EV), ноутбуках и мобильных телефонах. Это означает, что отработанные литий-ионные аккумуляторы представляют собой актуальную проблему в области обращения с отходами и переработки. Аккумуляторы являются одним из основных факторов, определяющих стоимость электромобилей, а их утилизация также обходится дорого. Экологические и экономические соображения побуждают создавать замкнутый цикл переработки, поскольку аккумуляторные отходы содержат ценные материалы и помогают сократить углеродный след производства литий-ионных аккумуляторов.
Переработка литий-ионных аккумуляторов становится процветающей отраслью промышленности, позволяющей обеспечить доступность редкоземельных металлов и других компонентов аккумуляторов в будущем и снизить экологические издержки добычи полезных ископаемых.

Пирометаллургическая и гидрометаллургическая переработка в сравнении с ультразвуковой переработкой аккумуляторов

Ниже мы сравниваем традиционные методы пирометаллургической и гидрометаллургической переработки с методом ультразвукового выщелачивания с точки зрения преимуществ и недостатков.

Недостатки традиционной переработки аккумуляторов

Традиционные методы переработки литий-ионных аккумуляторов включают пирометаллургические и гидрометаллургические процессы.
 
Пирометаллургические методы включают высокотемпературные процессы, такие как плавка или сжигание. Аккумуляторы подвергаются воздействию чрезвычайно высоких температур, в результате чего органические компоненты выгорают, а оставшиеся металлические компоненты расплавляются и разделяются. Однако у этих методов есть ряд недостатков:

• Воздействие на окружающую среду: При пирометаллургических процессах в атмосферу поступают вредные выбросы и загрязняющие вещества, которые способствуют загрязнению воздуха и потенциально создают угрозу для здоровья.
• Потери материалов: Высокотемпературные процессы могут приводить к потере ценных материалов и металлов вследствие термического разложения, снижая общую степень извлечения.
• Высокая энергоемкость: Эти методы обычно требуют значительных затрат энергии, что увеличивает эксплуатационные расходы и воздействие на окружающую среду.

 
Гидрометаллургические методы включают химическое выщелачивание для растворения компонентов аккумуляторов и извлечения ценных металлов. Хотя гидрометаллургия более экологична, чем пирометаллургические методы, у нее есть собственные недостатки:

• Использование химических веществ: Для выщелачивания необходимы сильные кислоты или другие коррозионно-активные химические вещества, что вызывает опасения в связи с обращением с химическими веществами, обращением с отходами и возможным загрязнением окружающей среды.
• Проблемы селективности: Добиться селективного выщелачивания нужных металлов может быть трудно, что приводит к снижению степени извлечения и возможной потере ценных ресурсов.

 

Преимущества ультразвукового выщелачивания аккумуляторов перед традиционными методами

По сравнению как с пирометаллургическими, так и с гидрометаллургическими методами переработки ультразвуковая переработка аккумуляторов превосходит их благодаря различным преимуществам:

1. Повышенная эффективность: Обработка ультразвуком может ускорять разрушение материалов аккумуляторов, сокращая время обработки и повышая общую эффективность.
2. Повышенная степень извлечения: Контролируемое применение ультразвуковой кавитации усиливает разрушение компонентов аккумуляторов, повышая степень извлечения ценных металлов.
3. Экологичность: Ультразвуковая переработка снижает зависимость от высоких температур и агрессивных химических веществ, сводя к минимуму воздействие на окружающую среду и сокращая выбросы загрязняющих веществ.
4. Селективное выщелачивание: Контролируемое применение ультразвука позволяет целенаправленно разрушать определенные компоненты внутри аккумулятора и эффективно разделять их. Поскольку различные подлежащие переработке соединения аккумуляторов удаляются и растворяются при определенной интенсивности ультразвука, оптимизированные параметры обработки позволяют селективно выщелачивать отдельные материалы. Это способствует эффективному разделению ценных металлов и материалов.
5. Сниженное энергопотребление: По сравнению с гидрометаллургическими и особенно с пирометаллургическими методами ультразвуковая переработка обычно более энергоэффективна, что приводит к снижению эксплуатационных расходов и сокращению углеродного следа.
6. Масштабируемость и гибкость: Ультразвуковые системы можно легко масштабировать в большую или меньшую сторону с учетом различных размеров аккумуляторов и производственных мощностей. Кроме того, ультразвуковые аппараты для переработки аккумуляторов можно легко интегрировать в уже существующие предприятия по переработке аккумуляторов. Ультразвуковые аппараты доступны с различными уровнями мощности и соответствующими принадлежностями, такими как ультразвуковые зонды и реакторы с проточными ячейками, и могут обрабатывать компоненты аккумуляторов различных размеров при различных производственных мощностях, обеспечивая масштабируемость и адаптируемость процессов переработки.
7. Синергетическая интеграция: Ультразвуковое выщелачивание можно интегрировать в существующие линии гидрометаллургической переработки аккумуляторов для интенсификации и улучшения гидрометаллургического выщелачивания ценных металлов и материалов из отработанных литий-ионных аккумуляторов.

В целом ультразвуковая переработка аккумуляторов представляется перспективным, более экологичным, эффективным и селективным методом по сравнению с традиционными пирометаллургическими и гидрометаллургическими подходами.

 

Промышленное ультразвуковое выщелачивание для извлечения металлов из отработанных аккумуляторов

Ультразвуковое выщелачивание и извлечение металлов можно применять в процессах переработки аккумуляторов на основе оксида лития-кобальта (например, из ноутбуков, смартфонов и т. д.), а также сложных литий-никель-марганец-кобальтовых аккумуляторов (например, из электромобилей).
Ультразвук высокой мощности хорошо известен своей способностью обрабатывать химические жидкости и суспензии для улучшения массопереноса и инициирования химических реакций.
Интенсивное воздействие мощной обработки ультразвуком основано на явлении акустической кавитации. При передаче ультразвука высокой мощности в жидкости / суспензии чередующиеся волны низкого и высокого давления в жидкостях создают небольшие вакуумные пузырьки. Эти небольшие вакуумные полости растут в течение нескольких циклов низкого / высокого давления, пока не схлопнутся с большой силой. Схлопывающиеся вакуумные пузырьки можно рассматривать как микрореакторы, в которых возникают температуры до 5000K, давления до 1000atm и скорости нагрева и охлаждения выше 10^-10 . Кроме того, возникают сильные гидродинамические силы сдвига и струи жидкости со скоростью до 280m/s. Эти экстремальные условия акустической кавитации создают необычные физические и химические условия в жидкостях, которые в остальном остаются холодными, и формируют благоприятную среду для химических реакций (так называемая сонохимия).

Кавитация, создаваемая ультразвуком, может вызывать термолиз растворенных веществ, а также образование высокореакционноспособных радикалов и реагентов, таких как свободные радикалы, гидроксид-ионы (•OH,), гидроксоний (H₃O+) и т. д., которые создают в жидкости условия чрезвычайно высокой реакционной способности, благодаря чему скорость реакции значительно увеличивается. Твердые вещества, такие как частицы, ускоряются струями жидкости и измельчаются за счет столкновений между частицами и истирания, что увеличивает площадь активной поверхности и тем самым усиливает массоперенос.
Большое преимущество ультразвукового выщелачивания и извлечения металлов заключается в точном контроле параметров процесса, таких как амплитуда, давление и температура. Эти параметры позволяют точно подстраивать условия реакции под технологическую среду и требуемый результат. Кроме того, ультразвуковое выщелачивание удаляет из субстрата даже мельчайшие частицы металла, сохраняя при этом микроструктуры. Улучшенное извлечение металлов обусловлено созданием ультразвуком высокореакционноспособных поверхностей, повышением скорости реакций и улучшением массопереноса. Процессы обработки ультразвуком можно оптимизировать, воздействуя на каждый параметр, поэтому они не только очень эффективны, но и обладают высокой энергоэффективностью.
Точный контроль параметров и энергоэффективность делают ультразвуковое выщелачивание предпочтительным методом, превосходящим другие, – особенно в сравнении со сложными методами кислотного выщелачивания и хелатирования.

Ультразвуковое извлечение LiCoO₂ из отработанных литий-ионных аккумуляторов

Обработка ультразвуком способствует восстановительному выщелачиванию и химическому осаждению, которые используются для извлечения Li в виде Li₂CO₃ и Co в виде Co(OH)₂ из отработанных литий-ионных аккумуляторов.
Zhang et al. (2014) сообщают об успешном извлечении LiCoO₂ с использованием ультразвукового реактора. Для приготовления исходного раствора объемом 600mL они поместили в химический стакан 10g непригодного для использования порошка LiCoO₂ и добавили раствор LiOH с концентрацией 2,0mol/L, после чего перемешали.
Смесь направили на ультразвуковое облучение и включили перемешивающее устройство, которое было размещено внутри реакционной емкости. Смесь нагрели до 120◦C, а затем ультразвуковой аппарат настроили на мощность 800W, а режим ультразвукового воздействия установили на импульсные рабочие циклы: 5 sec. ВКЛ. / 2sec. ВЫКЛ. Ультразвуковое облучение проводили в течение 6h, после чего реакционная смесь остыла до комнатной температуры. Твердый остаток несколько раз промыли деионизированной водой и высушили при 80◦C до постоянной массы. Полученный образец собрали для последующих испытаний и производства аккумуляторов. Зарядная емкость в первом цикле составляет 134,2mAh/g, а разрядная емкость – 133,5mAh/g. Эффективность первого цикла заряда и разряда составила 99,5%. После 40 циклов разрядная емкость по-прежнему составляет 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Ультразвуковое выщелачивание с использованием органических кислот, таких как лимонная кислота, не только эффективно, но и экологически безопасно. Исследования показали, что выщелачивание Co и Li с помощью лимонной кислоты эффективнее, чем с помощью неорганических кислот H2SO4 и HCl. Из отработанных литий-ионных аккумуляторов было извлечено более 96% Co и почти 100% Li. То, что органические кислоты, такие как лимонная и уксусная кислоты, недороги и биоразлагаемы, обеспечивает дополнительные экономические и экологические преимущества обработки ультразвуком.

Промышленный ультразвук высокой мощности для выщелачивания металлов из отработанных аккумуляторов

Hielscher Ultrasonics – ваш поставщик высокоэффективных и надежных ультразвуковых систем с многолетним опытом, обеспечивающих 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 прочные ультразвуковые системы. Промышленные установки Hielscher Ultrasonics, такие как UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) и UIP16000 (16kW), являются самыми мощными и прочными высокопроизводительными ультразвуковыми системами на рынке. Все наши промышленные установки могут непрерывно работать с очень высокими амплитудами до 200µm в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Прочность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 при высоких нагрузках и в сложных условиях. Hielscher также поставляет специальные сонотроды и реакторы для высоких температур, давлений и коррозионно-активных жидкостей. Это делает наши промышленные ультразвуковые аппараты наиболее подходящими для методов извлекающей металлургии, например гидрометаллургической обработки.

Приведенная ниже таблица дает представление о приблизительной производительности обработки наших ультразвуковых аппаратов:

---

---

Литература/источники

• 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.