Ultrazvuk na recykláciu lítium-iónových batérií
- Lítium-iónové batérie, ktoré sa používajú v elektrických vozidlách, práve prichádzajú na masový trh a spolu s nimi musia byť vyvinuté kapacity na recykláciu.
- Ultrazvukové vylúhovanie je účinná a ekologická metóda, ktorá umožňuje získať kovy ako Li, Mg, Co, Ni atď. Z vyčerpaných lítium-iónových batérií.
- Hielscher priemyselné ultrazvukové systémy pre aplikácie s lúhovaním sú spoľahlivé a robustné a môžu byť ľahko integrované do existujúcich recyklačných zariadení.
Recyklácia lítium-iónových batérií
Lítium-iónové batérie sú široko používané v elektrických vozidiel (EV), notebooky a mobilné telefóny. To znamená, že použité lítium-iónové batérie predstavujú súčasnú výzvu týkajúcu sa nakladania s odpadom a recyklácie. Batérie sú hlavným nákladným vodičom pre EDS a ich likvidácia je tiež drahá. Environmentálne a ekonomické aspekty posúvajú uzavretú recyklačnú slučku, pretože odpad z batérií obsahuje cenné materiály a pomáha znižovať uhlíkovú stopu výroby lítium-iónových batérií.
Recyklácia lítium-iónových batérií rastie do prosperujúceho odvetvia priemyslu, aby sa zabezpečila budúca dostupnosť kovov vzácnych zemín a ďalších komponentov batérií a aby sa znížili environmentálne náklady ťažby.
Priemyselné ultrazvukové vylúhovanie
Ultrazvukové vylúhovanie a extrakcia kovov je možné použiť pri recyklácii batérií s oxidom lítnym kobaltom (napr. Z notebookov, smartfónov atď.), Ako aj z komplexných lítium niklovo-mangánovo-kobaltových batérií (napr. Z elektrických vozidiel).
Vysokovýkonný ultrazvuk je dobre známy svojou schopnosťou spracovávať chemické kvapaliny a kaše s cieľom zlepšiť prenos hmoty a iniciovať chemické reakcie.
Intenzívne účinky ultrazvuku s výkonom sú založené na fenoméne akustickej kavitácie. Spojením ultrazvuku s vysokým výkonom do kvapalín / kalov vytvárajú striedavé nízkotlakové a vysokotlakové vlny v kvapalinách malé vákuové bubliny. Malé vákuové dutiny rastú cez rôzne nízkotlakové / vysokotlakové cykly, až kým implóda nenásilne. Vylúčené vákuové bubliny môžu byť považované za mikroreaktory, v ktorých teploty do 5000 K, tlaky do 1000atm a rýchlosti zahrievania a chladenia nad 10-10 nastať. Okrem toho sa vytvárajú silné hydrodynamické strihové sily a prúdy kvapalín s rýchlosťou až 280 m / s. Tieto extrémne podmienky akustickej kavitácie vytvárajú mimoriadne fyzikálne a chemické podmienky v inak studených kvapalinách a vytvárajú prospešné prostredie pre chemické reakcie (Sonochemistry).
48kW ultrazvukový procesor
pre náročné aplikácie, ako je vylúhovanie kovov
Ultrazvukové vylúhovanie kovov z odpadu vyčerpaného akumulátora.
Veľkou výhodou ultrazvukového vylúhovania a zužitkovania kovov je presná kontrola parametrov procesu, ako je amplitúda, tlak a teplota. Tieto parametre umožňujú nastaviť reakčné podmienky presne na procesné médium a cieľový výstup. Okrem toho ultrazvukové vylúhovanie odstraňuje aj najmenšie kovové častice zo substrátu pri zachovaní mikroštruktúr. Vylepšené zotavenie kovu je spôsobené ultrazvukovým vytváraním vysoko reaktívnych povrchov, zvýšenými reakčnými rýchlosťami a lepšou hromadnou dopravou. Sonication procesy môžu byť optimalizované ovplyvňovaním každého parametra a sú preto nielen veľmi účinné, ale aj vysoko energeticky účinné.
Jeho presná kontrola parametrov a energetická účinnosť robia ultrazvukovým lúhovaním priaznivou a vynikajúcou technikou – najmä v porovnaní so zložitými kyselinovými lúhovanými a chelatačnými technikami.
Ultrazvukové zotavenie LiCoO2 z vyčerpaných lítium-iónových batérií
Ultrazvuku pomáha redukčné vylúhovanie a chemické zrážky, ktoré sa používajú na obnovu Li ako Li2CO3 a Co ako Co (OH)2 z odpadových lítium-iónových batérií.
Zhang a kol. (2014) nahlásia úspešné oživenie LiCoO2 pomocou ultrazvukového reaktora. na prípravu východiskového roztoku 600 ml, umiestnili 10 g neplatného LiCoO2 prášku v kadičke a pridali sa 2,0 mol / l roztoku LiOH, ktoré sa zmiešali.
Zmes sa vyliala do ultrazvukového ožiarenia a miešadlo začalo, miešacie zariadenie bolo umiestnené do vnútra reakčnej nádoby. To sa ohrialo na 120 ° C a potom ultrazvukový prístroj bol nastavený na 800 W a ultrazvukový režim pôsobenia bol nastavený na impulzné cykly cyklu 5 sekúnd. ON / 2 sek. OFF. Ultrazvukové ožarovanie sa aplikuje počas 6 hodín a potom sa reakčná zmes ochladí na teplotu miestnosti. Pevný zvyšok bol niekoľkokrát premytý deionizovanou vodou a sušený pri 80 ° C až do konštantnej hmotnosti. Získaná vzorka sa zhromaždila na následné testovanie a výrobu batérií. Kapacita nabíjania v prvom cykle je 134,2mAh / g a výstupná kapacita je 133,5mAh / g. Prvý čas nabíjania a vybíjania bol 99,5%. Po 40 cykloch je vypúšťacia kapacita stále 132,9mAh / g. (Zhang et al., 2014)
Použité kryštály LiCoO2 pred (a) a po (b) ultrazvukovom ošetrení pri 120 ° C počas 6 hodín. zdroj: Zhang a kol. 2014
Ultrazvukové vylúhovanie organickými kyselinami, ako je kyselina citrónová, je nielen efektívna, ale aj šetrná k životnému prostrediu. Výskum zistil, že vylúhovanie Co a Li je účinnejšie pri použití kyseliny citrónovej ako pri anorganických kyselinách H2Takže4 a HCl. Viac ako 96% CO a takmer 100% Li bolo získaných z vynaložených lítium-iónových batérií. Skutočnosť, že organické kyseliny, ako kyselina citrónová a kyselina octová sú lacné a biologicky odbúrateľné, prispieva k ďalším hospodárskym a environmentálnym výhodám sonikácie.
Vysokovýkonná priemyselná ultrazvuk
Hielscher Ultrasonics je dlhoročným skúseným dodávateľom vysoko účinných a spoľahlivých ultrazvukových systémov, ktoré dodávajú potrebnú silu na vylúhovanie kovov z odpadových materiálov. S cieľom opätovného spracovania liónových batérií extrakciou kovov, ako sú kobalt, lítium, nikel a mangán, sú nevyhnutné silné a robustné ultrazvukové systémy. Hielscher Ultrasonics’ priemyselné jednotky ako napr UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10 kW) a UIP16000 (16kW) sú najsilnejšie a robustnejšie vysokovýkonné ultrazvukové systémy na trhu. Všetky naše priemyselné jednotky môžu byť nepretržite bežiace s veľmi vysokými amplitúdami až do 200μm v 24/7 prevádzke. Pre ešte väčšie amplitúdy sú k dispozícii upravené ultrazvukové sonotródy. Robustnosť ultrazvukových zariadení firmy Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne 7 dní v týždni v náročných a náročných podmienkach. Hielscher dodáva špeciálne sonotrody a reaktory pre vysoké teploty, tlaky a korozívne kvapaliny. To robí naše priemyselné ultrazvukové zariadenia najvhodnejšie pre ťažobné metalurgické techniky, napr. Hydrometalurgické ošetrenie.
Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov:
| Objem šarže | prietok | Odporúčané Devices |
|---|---|---|
| 0.1 až 20L | 02 až 4 l / min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10 l / min | UIP4000 |
| neuv | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| neuv | väčšia | strapec UIP16000 |
Fakty stojí za to vedieť
Lítium-iónové batérie
Lítium-iónové batérie (LIB) sú kolektívne termíny pre (dobíjateľné) batérie, ktoré ponúkajú vysokú hustotu energie a sú často integrované do spotrebnej elektroniky, ako sú elektronické autá, hybridné automobily, notebooky, mobilné telefóny, iPody atď. iné varianty nabíjateľných batérií s podobnou veľkosťou a kapacitou sú LIB výrazne ľahšie.
Na rozdiel od jednorazovej lítiovej primárnej batérie používa LIB ako elektródu interkalovanú lítiovú zlúčeninu namiesto kovového lítia. Hlavnými zložkami lítium-iónovej batérie sú jej elektródy – anóda a katóda – a elektrolytu.
Väčšina buniek zdieľa spoločné komponenty z hľadiska elektrolytu, separátora, fólií a puzdra. Hlavným rozdielom medzi bunkovými technológiami je materiál používaný ako “aktívne materiály” ako je katóda a anóda. Grafit je najčastejšie používaný materiál ako anóda, zatiaľ čo katóda je vyrobená z vrstveného LiM02 (M = Mn, Co a Ni), spinel LiMn2O4, alebo olivín LiFePO4, Elektrolytové organické kvapalné elektrolyty (napr. Soľ LiPF6 rozpustená v zmesi organických rozpúšťadiel, ako je etylénkarbonát (EC), dimetylkarbonát (DMC), dietylkarbonát (DEC), etylmetylkarbonát (EMC) atď. iónového pohybu.
V závislosti od pozitívnych (katódových) a záporných (anódových) elektródových materiálov sa hustota energie a napätie LIB líšia.
Pri používaní v elektrických vozidlách sa používa často elektrická batéria vozidla (EVB) alebo trakčná batéria. Takéto trakčné batérie sa používajú v vysokozdvižných vozíkoch, elektrických golfových vozíkoch, pračkách na podlahu, elektrických motocykloch, elektrických vozidlách, nákladných automobiloch, dodávkach a iných elektrických vozidlách.
Recyklácia kovov z vyčerpaných lítium-iónových batérií
V porovnaní s inými typmi batérií, ktoré často obsahujú olovo alebo kadmium, lítium-iónové batérie obsahujú menej toxických kovov a preto sa považujú za ekologické. Avšak veľké množstvo vyčerpaných lítium-iónových batérií, ktoré budú musieť byť likvidované ako použité batérie z elektrických automobilov, predstavujú problém s odpadom. Preto je potrebná uzavretá recyklačná slučka lítium-iónových batérií. Z ekonomického hľadiska môžu byť kovové prvky, ako je železo, meď, nikel, kobalt a lítium, získané a opätovne použité pri výrobe nových batérií. Recyklácia by tiež mohla zabrániť budúcemu nedostatku.
Napriek tomu, že batérie s vyšším zaťažením niklom prichádzajú na trh, nie je možné vyrábať batérie bez kobaltu. Vyšší obsah niklu prichádza s cenou: S vyšším obsahom niklu sa stabilita batérie znižuje a tým sa znižuje jeho životnosť a schopnosť rýchleho nabíjania.
Rastúci dopyt po lítiových batériách si vyžaduje zvýšené recyklačné kapacity pre použité batérie.
Recyklačný proces
Batérie elektrických vozidiel, ako napríklad Tesla Roadster, majú približne 10 rokov života.
Recyklácia vyčerpaných lítium-iónových batérií je náročný proces, pretože sa týka vysokého napätia a nebezpečných chemikálií, ktoré prichádzajú s rizikom tepelných únikov, úrazu elektrickým prúdom a emisií nebezpečných látok.
Na vytvorenie recyklácie uzavretej slučky musí byť každá chemická väzba a všetky prvky rozdelené na jednotlivé frakcie. Energia potrebná na takúto recykláciu uzavretých slučiek je však veľmi drahá. Najhodnotnejšími materiálmi na obnovu sú kovy ako Ni, Co, Cu, Li atď., Pretože nákladná ťažba a vysoké trhové ceny kovových súčiastok spôsobujú, že recyklácia je ekonomicky atraktívna.
Recyklačný proces lítium-iónových batérií sa začína rozobratím a vybíjaním batérií. Pred otvorením batérie je potrebná pasivácia na deaktiváciu chemikálií v batérii. Pasiváciu možno dosiahnuť kryogénnym zmrazením alebo kontrolovanou oxidáciou. V závislosti od veľkosti batérie je možné batérie demontovať a demontovať do bunky. Po demontáži a rozdrvení sú komponenty izolované niekoľkými spôsobmi (napr. Triedením, preosievaním, ručným vyberaním, magnetickým, mokrým a balistickým oddelením), aby sa z práškovej elektródy odstránili bunkové obaly, hliník, meď a plasty. Oddelenie elektródových materiálov je nevyhnutné pre následné procesy, napr. Hydrometalurgické spracovanie.
pyrolýza
Pri pyrolytickom spracovaní sú drvené batérie tavené v peci, kde sa pridá vápenec ako troska.
Hydrotermálne procesy
Hydrometalurgické spracovanie je založené na kyslých reakciách, aby sa zrazili soli ako kovy. Typické hydrometalurgické postupy zahŕňajú lúhovanie, zrážanie, iónovú výmenu, extrakciu rozpúšťadlom a elektrolýzu vodných roztokov.
Výhodou hydrotermálneho spracovania je vysoký výťažok + 95% Ni a Co ako soli, + 90% Li môže byť vyzrážané a zvyšok môže byť získaný až do + 80%.
Obzvlášť kobalt je dôležitou zložkou katódy lítium-iónovej batérie pre vysokoenergetické a energetické aplikácie.
Súčasné hybridné automobily, ako napríklad Toyota Prius, používajú batérie nikel-metal hydridové, ktoré sa demontujú, vybíjajú a recyklujú podobne ako lítium-iónové batérie.
Literatúra / Referencie
- 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.
Výkonná sonikácia od laboratória a laboratória až po priemyselnú výrobu.