Ultrazvuk na recykláciu lítium-iónových batérií

• Lítium-iónové batérie používané v elektromobiloch sa práve teraz dostávajú na masový trh a s nimi je potrebné rozvíjať recyklačné kapacity.
• Ultrazvukové lúhovanie je účinná technika šetrná k životnému prostrediu na regeneráciu kovov, ako sú Li, Mg, Co, Ni atď., z použitých lítium-iónových batérií.
• Priemyselné ultrazvukové systémy Hielscher pre lúhovacie aplikácie sú spoľahlivé a robustné a dajú sa ľahko integrovať do existujúcich recyklačných závodov.

Recyklácia lítium-iónových batérií

Lítium-iónové batérie sú široko používané v elektrických vozidlách (EV), notebookoch a mobilných telefónoch. To znamená, že použité lítium-iónové batérie sú súčasnou výzvou v oblasti nakladania s odpadom a recyklácie. Batérie sú hlavným faktorom nákladov pre elektromobily a ich likvidácia je tiež drahá. Environmentálne a ekonomické aspekty tlačia na uzavretý recyklačný cyklus, pretože odpad z batérií obsahuje cenné materiály a pomáha znižovať uhlíkovú stopu výroby lítium-iónových batérií.
Recyklácia lítium-iónových batérií rastie do prosperujúceho priemyselného odvetvia s cieľom zabezpečiť budúcu dostupnosť kovov vzácnych zemín a iných komponentov batérií a znížiť environmentálne náklady na ťažbu.

Pyrometalurgická a hydrometalurgická recyklácia vs ultrazvuková recyklácia batérií

Nižšie porovnávame konvenčné metódy pyrometalurgických a hydrometalurgických procesov s technikou ultrazvukového lúhovania z hľadiska výhod a nevýhod.

Nevýhody konvenčnej recyklácie batérií

Tradičné metódy používané na recykláciu lítium-iónových batérií zahŕňajú pyrometalurgické a hydrometalurgické procesy.
 
Pyrometalurgické metódy zahŕňajú vysokoteplotné procesy, ako je tavenie alebo spaľovanie. Batérie sú vystavené extrémnemu teplu, čo spôsobuje spálenie organických zložiek a zvyšné kovové zložky sa roztavia a oddelia. Tieto metódy však majú určité nevýhody:

• Vplyv na životné prostredie: Pyrometalurgické procesy uvoľňujú škodlivé emisie a znečisťujúce látky do atmosféry, čo prispieva k znečisteniu ovzdušia a potenciálne spôsobuje zdravotné riziká.
• Strata materiálu: Vysokoteplotné procesy môžu mať za následok stratu cenných materiálov a kovov v dôsledku tepelnej degradácie, čím sa zníži celková miera výťažnosti.
• Energeticky náročné: Tieto metódy zvyčajne vyžadujú značný energetický vstup, čo zvyšuje prevádzkové náklady a environmentálnu stopu.

 
Hydrometalurgické metódy zahŕňajú chemické lúhovanie na rozpustenie komponentov batérie a extrakciu cenných kovov. Aj keď je hydrometalurgia šetrnejšia k životnému prostrediu ako pyrometalurgické metódy, má svoje vlastné nevýhody:

• Chemické použitie: Na lúhovanie sú potrebné silné kyseliny alebo iné korozívne chemikálie, čo vyvoláva obavy z manipulácie s chemikáliami, nakladania s odpadom a potenciálnej kontaminácie životného prostredia.
• Výzvy selektívnosti: Dosiahnutie selektívneho vylúhovania požadovaných kovov môže byť ťažké, čo vedie k nižšej miere výťažnosti a potenciálnej strate cenných zdrojov.

 

Výhody ultrazvukového lúhovania batérií oproti konvenčným technikám

V porovnaní s pyrometalurgickými a hydrometalurgickými recyklačnými technikami prekonáva technika ultrazvukovej recyklácie batérií vďaka rôznym výhodám:

1. Zvýšená účinnosť: Ultrazvuková sonikácia môže urýchliť rozklad materiálov batérií, čo má za následok kratšie časy spracovania a vyššiu celkovú účinnosť.
2. Zlepšená miera zotavenia: Riadená aplikácia ultrazvukovej kavitácie zvyšuje rozklad komponentov batérií a zvyšuje mieru regenerácie cenných kovov.
3. Šetrné k životnému prostrediu: Ultrazvuková recyklácia znižuje závislosť od vysokých teplôt a agresívnych chemikálií, minimalizuje dopad na životné prostredie a znižuje emisie znečisťujúcich látok.
4. Selektívne lúhovanie: Riadená aplikácia ultrazvuku umožňuje cielené narušenie konkrétnych komponentov v batérii a ich efektívne oddeľovanie. Pretože rôzne recyklovateľné zlúčeniny batérií sa odstraňujú a rozpúšťajú pri špecifických ultrazvukových intenzitách, optimalizované parametre spracovania umožňujú selektívne lúhovanie jednotlivých materiálov. To uľahčuje efektívnu separáciu cenných kovov a materiálov.
5. Znížená spotreba energie: V porovnaní s hydrometalurgickými a najmä pyrometalurgickými metódami je ultrazvuková recyklácia vo všeobecnosti energeticky efektívnejšia, čo vedie k nižším prevádzkovým nákladom a zníženiu uhlíkovej stopy.
6. Škálovateľnosť a flexibilita: Ultrazvukové systémy je možné ľahko zväčšiť alebo zmenšiť, aby vyhovovali rôznym veľkostiam batérií a výrobným kapacitám. Okrem toho je možné ultrazvukové zariadenia na recykláciu batérií ľahko integrovať do už existujúcich zariadení na recykláciu batérií. Ultrazvukové prístroje, ktoré sú ľahko dostupné v rôznych výkonových stupniciach a zodpovedajúcom príslušenstve, ako sú ultrazvukové sondy a reaktory prietokových článkov, dokážu manipulovať s komponentmi batérií rôznych veľkostí a výrobných kapacít, čo poskytuje škálovateľnosť a prispôsobivosť v recyklačných procesoch.
7. Synergická integrácia: Ultrazvukové lúhovanie je možné integrovať do existujúcich liniek na recykláciu hydrometalurgických batérií s cieľom zintenzívniť a zlepšiť hydrometalurgické lúhovanie cenných kovov a materiálov z použitých lítium-iónových batérií.

Celkovo je ultrazvuková recyklácia batérií sľubná ako ekologickejšia, efektívnejšia a selektívnejšia metóda v porovnaní s tradičnými pyrometalurgickými a hydrometalurgickými prístupmi.

 

Priemyselné ultrazvukové lúhovanie na regeneráciu kovov z vybitých batérií

Ultrazvukové lúhovanie a extrakciu kovov možno použiť na procesy recyklácie lítium-kobaltnatých batérií (napr. z notebookov, smartfónov atď.), ako aj komplexných lítium-nikel-mangán-kobaltových batérií (napr. z elektrických vozidiel).
Vysokovýkonný ultrazvuk je dobre známy svojou schopnosťou spracovávať chemické kvapaliny a kaly s cieľom zlepšiť prenos hmoty a iniciovať chemické reakcie.
Intenzívne účinky výkonovej ultrasonikácie sú založené na fenoméne akustickej kavitácie. Spojením vysokovýkonného ultrazvuku s kvapalinami / suspenziami vytvárajú striedavé nízkotlakové a vysokotlakové vlny v kvapalinách malé vákuové bubliny. Malé vákuové dutiny rastú počas rôznych nízkotlakových / vysokotlakových cyklov, až kým sa prudko nezrútia. Zrútené vákuové bubliny možno považovať za mikroreaktory, v ktorých sú teploty až 5000 K, tlaky až 1000 atm a rýchlosti ohrevu a chladenia nad 10^-10 nastať. Okrem toho sa vytvárajú silné hydrodynamické šmykové sily a kvapalné prúdy s rýchlosťou až 280 m/s. Tieto extrémne podmienky akustické kavitácie vytvárajú mimoriadne fyzikálne a chemické podmienky v inak studených kvapalinách a vytvárajú priaznivé prostredie pre chemické reakcie (tzv. Sonochémia).

Ultrazvukom generovaná kavitácia môže vyvolať termolýzu rozpustených látok, ako aj tvorbu vysoko reaktívnych radikálov a činidiel, ako sú voľné radikály, hydroxidové ióny (•OH,) hydronium (H₃O+) atď., ktoré poskytujú mimoriadne reaktívne podmienky v kvapaline, takže rýchlosť reakcie sa výrazne zvyšuje. Pevné látky, ako sú častice, sú urýchľované prúdmi kvapaliny a sú mleté medziskupinovou kolíziou a oderom, čím sa zvyšuje aktívna plocha povrchu a tým aj prenos hmoty.
Veľkou výhodou ultrazvukového lúhovania a regenerácie kovov je presná kontrola parametrov procesu, ako je amplitúda, tlak a teplota. Tieto parametre umožňujú presne prispôsobiť reakčné podmienky procesnému médiu a cieľovému výstupu. Okrem toho ultrazvukové lúhovanie odstraňuje zo substrátu aj tie najmenšie kovové častice pri zachovaní mikroštruktúr. Zvýšená regenerácia kovov je spôsobená ultrazvukovým vytváraním vysoko reaktívnych povrchov, zvýšenou rýchlosťou reakcie a zlepšeným transportom hmoty. Sonikačné procesy je možné optimalizovať ovplyvnením každého parametra, a preto sú nielen veľmi účinné, ale aj vysoko energeticky účinné.
Vďaka presnej kontrole parametrov a energetickej účinnosti je ultrazvukové lúhovanie priaznivou a vynikajúcou technikou – najmä v porovnaní s komplikovanými technikami vylúhovania a chelácie kyselinou.

Ultrazvuková obnova LiCoO₂ z použitých lítium-iónových batérií

Ultrazvuk napomáha reduktívnemu lúhovaniu a chemickému zrážaniu, ktoré sa používajú na obnovu Li ako Li₂CO₃ a Co ako Co(OH)₂ z použitých lítium-iónových batérií.
Zhang a kol. (2014) informujú o úspešnom zotavení LiCoO₂ pomocou ultrazvukového reaktora. na prípravu východiskového roztoku 600 ml umiestnili 10 g neplatného LiCoO₂ prášok v kadičke a pridalo sa 2,0 mol/l roztoku LiOH, ktoré sa zmiešalo.
Zmes sa naliala do ultrazvukového ožarovania a spustilo sa miešacie zariadenie, miešacie zariadenie sa umiestnilo do vnútra reakčnej nádoby. Zahrial sa na 120 ° C a potom Ultrazvukové zariadenie bol nastavený na 800 W a ultrazvukový režim pôsobenia bol nastavený na pulzné pracovné cykly 5 sekúnd ZAPNUTÉ / 2 sekundy VYPNUTÉ. Ultrazvukové ožarovanie sa aplikovalo 6 hodín a potom sa reakčná zmes ochladila na izbovú teplotu. Pevný zvyšok sa niekoľkokrát premyl deionizovanou vodou a vysušil sa pri 80 ° C až do konštantnej hmotnosti. Získaná vzorka bola odobratá na následné testovanie a výrobu batérií. Kapacita nabíjania v prvom cykle je 134.2 mAh/g a kapacita vybíjania je 133.5 mAh/g. Účinnosť prvého nabíjania a vybíjania bola 99,5 %. Po 40 cykloch je kapacita vybíjania stále 132,9 mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Ultrazvukové lúhovanie organickými kyselinami, ako je kyselina citrónová, je nielen účinné, ale aj šetrné k životnému prostrediu. Výskum zistil, že lúhovanie Co a Li je účinnejšie s kyselinou citrónovou ako s anorganickými kyselinami H2SO4 a HCl. Viac ako 96 % Co a takmer 100 % Li bolo získaných z použitých lítium-iónových batérií. Skutočnosť, že organické kyseliny, ako je kyselina citrónová a kyselina octová, sú lacné a biologicky odbúrateľné, prispieva k ďalším ekonomickým a environmentálnym výhodám sonikácie.

Vysokovýkonné priemyselné ultrazvuky na vylúhovanie kovov z vybitých batérií

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics je váš dlhoročný dodávateľ vysoko účinných a spoľahlivých ultrazvukových systémov, ktoré dodávajú potrebný výkon na lúhovanie kovov z odpadových materiálov. Na opätovné spracovanie lítium-iónových batérií extrakciou kovov, ako je kobalt, lítium, nikel a mangán, sú nevyhnutné výkonné a robustné ultrazvukové systémy. Priemyselné jednotky Hielscher Ultrasonics, ako sú UIP4000hdT (4 kW), UIP6000hdT (6 kW), UIP10000 (10 kW) a UIP16000 (16 kW), sú najvýkonnejšie a najrobustnejšie vysokovýkonné ultrazvukové systémy na trhu. Všetky naše priemyselné jednotky môžu byť nepretržite prevádzkované s veľmi vysokými amplitúdami až 200 μm v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach. Spoločnosť Hielscher dodáva aj špeciálne sonotródy a reaktory pre vysoké teploty, tlaky a korozívne kvapaliny. Vďaka tomu sú naše priemyselné ultrazvukové prístroje najvhodnejšie pre techniky extrakčnej metalurgie, napr. hydrometalurgické úpravy.

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

---

---

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.