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 lúhovanie aplikácie 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.

Žiadosť o informácie





Hielscher's ultrasonicators are reliable and robust systems for the leaching of metals.

48kW ultrazvukový procesor
pre náročné aplikácie, ako je vylúhovanie kovov

Pyrometalurgická a hydrometalurgická recyklácia vs ultrazvuková recyklácia batérií

Nižšie porovnávame konvenčné metódy pyrometalurgických a hydrometalurgických procesov s technikou ultrazvukového lúhovania, pokiaľ ide o výhody a nevýhody.

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 vyhorenie organických zložiek a zvyšné kovové komponenty sa roztavia a oddelia. Tieto metódy však majú určité nevýhody:

  • Vplyv na životné prostredie: Pyrometalurgické procesy uvoľňujú škodlivé emisie a znečisťujúce látky do atmosféry, čím prispievajú k znečisteniu ovzdušia a potenciálne spôsobujú zdravotné riziká.
  • Strata materiálov: Vysokoteplotné procesy môžu viesť k strate cenných materiálov a kovov v dôsledku tepelnej degradácie, čím sa znižuje celková miera obnovy.
  • Energeticky náročné: Tieto metódy zvyčajne vyžadujú značné energetické vstupy, 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:

  • Použitie chemikálií: Na lúhovanie sú potrebné silné kyseliny alebo iné korozívne chemikálie, čo vyvoláva obavy z manipulácie s chemikáliami, nakladania s odpadom a možnej kontaminácie životného prostredia.
  • Výzvy v oblasti selektivity: Dosiahnutie selektívneho lúhovania požadovaných kovov môže byť náročné, čo vedie k nižšej miere zhodnocovania a potenciálnej strate cenných zdrojov.

 

Výhody ultrazvukového vylúhovania batérie oproti konvenčným technikám

V porovnaní s oboma, pyrometalurgické a hydrometalurgické recyklačné techniky, ultrazvuková technika recyklácie batérií konkuruje kvôli rôznym výhodám:

  1. Zvýšená efektivita: Ultrazvuková ultrazvukom môže urýchliť rozpad materiálov batérie, čo vedie k kratším časom spracovania a vyššej celkovej účinnosti.
  2. Zlepšené miery vymáhania: Kontrolovaná aplikácia ultrazvukovej kavitácie zvyšuje rozpad komponentov batérie a zvyšuje mieru obnovy cenných kovov.
  3. Šetrné k životnému prostrediu: Ultrazvuková recyklácia znižuje závislosť od vysokých teplôt a drsných chemikálií, minimalizuje vplyv na životné prostredie a znižuje emisie znečisťujúcich látok.
  4. Selektívne lúhovanie: Kontrolovaná aplikácia ultrazvuku umožňuje cielené narušenie špecifických zložiek v batérii a ich efektívne oddelenie. Vzhľadom k tomu, rôzne recyklovateľné batériové zlúčeniny sú odstránené a rozpustené pod špecifickými ultrazvukovými intenzitami, optimalizované parametre spracovania umožňujú selektívne vylúhovanie jednotlivých materiálov. To uľahčuje efektívne oddelenie cenných kovov a materiálov.
  5. Znížená spotreba energie: V porovnaní s oboma, hydrometalurgické a najmä pyrometalurgické metódy, ultrazvuková recyklácia je všeobecne energeticky efektívnejšia, čo vedie k nižším prevádzkovým nákladom a zníženiu uhlíkovej stopy.
  6. Škálovateľnosť a flexibilita: Ultrazvukové systémy je možné ľahko zväčšiť alebo znížiť tak, aby vyhovovali rôznym veľkostiam batérií a výrobným kapacitám. Okrem toho, ultrasonicators pre recykláciu batérií možno ľahko integrovať do už existujúcich zariadení na recykláciu batérií. Ľahko dostupný na rôznych výkonových stupniciach a zodpovedajúcom príslušenstve, ako sú ultrazvukové sondy a reaktory s prietokovými článkami, ultrasonicators môžu zvládnuť komponenty batérií rôznych veľkostí a výrobných kapacít, čo poskytuje škálovateľnosť a prispôsobivosť v recyklačných procesoch.
  7. Synergická integrácia: Ultrazvukové lúhovanie môže byť integrované do existujúcich hydrometalurgických recyklačných liniek batérií s cieľom zintenzívniť a zlepšiť hydrometalurgické lúhovanie cenných kovov a materiálov z použitých lítium-iónových batérií.

Celkovo, ultrazvuková recyklácia batérie ukazuje sľub ako ekologickejšia, efektívnejšia a selektívnejšia metóda v porovnaní s tradičnými pyrometalurgickými a hydrometalurgickými prístupmi.

 

Mocný Ultrazvukový kavitácie na Hielscher Cascatrode

Mocný Ultrazvukový kavitácie na Hielscher Cascatrode

 

Žiadosť o informácie





Priemyselné ultrazvukové lúhovanie na regeneráciu kovov z použitých batérií

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).
Priemyselný viacsondový ultrazvukový reaktor na získavanie kovov z použitých lítium-iónových batérií. Ultarsonické lúhovanie poskytuje vysoké výťažné výnosy lítia, kobaltu, medi, hliníka a niklu.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 kvapaliny s rýchlosťou až 280 m/s. Tieto extrémne podmienky akustickej kavitácie vytvárajú mimoriadne fyzikálne a chemické podmienky v inak studených kvapalinách a vytvárajú priaznivé prostredie pre chemické reakcie (tzv. Sonochemistry).

Ultrazvukové vylúhovanie pri recyklácii vyhorených lítium-iónových batérií. (Klikni na zväčšenie!)

Ultrazvukové vylúhovanie kovov z odpadu vyčerpaného akumulátora.

Ultrazvukovo generovaná kavitácia môže indukovať termolýzu rozpustených látok, ako aj tvorbu vysoko reaktívnych radikálov a činidiel, ako sú voľné radikály, hydroxidové ióny (• OH), hydrónium (H3O +) atď., Ktoré poskytujú mimoriadne reakčné podmienky v kvapaline tak, že reakčná rýchlosť je výrazne zvýšená. Tuhé látky, ako sú častice, sú urýchlené kvapalinovými tryskami a sú rozomleté ​​interpartikulárnou kolíziou a odieraním, ktoré zvyšujú aktívnu povrchovú plochu a tým prenášajú hmoty.
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)
 

Ultrazvukom typu Proby zlepšuje vylúhovanie a regeneráciu drahých kovov a materiálov z použitých lítium-iónových batérií. Hielscher Ultrasonics dodáva ultrasonicators na kľúč pripravené na inštaláciu do zariadenia na recykláciu batérií pre zlepšené recyklačné výnosy.

Použité kryštály LiCoO2 pred (a) a po (b) ultrazvukovom ošetrení pri teplote 120 ° C počas 6 hodín.
Štúdia a obrázky: ©Zhang et al. 2014

 
Ultrazvukové vylúhovanie organickými kyselinami, ako je kyselina citrónová, je nielen účinné, ale aj šetrné k životnému prostrediu. Výskum zistil, že vylúhovanie 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 ultrazvukom.

Vysokovýkonné priemyselné ultrazvukom pre vylúhovanie kovov z použitých batérií

UIP4000hdT - Hielscher's 4kW high-performance ultrasonic system Hielscher Ultrasonics je váš dlhoročný skúsený dodávateľ pre vysoko efektívne a spoľahlivé ultrazvukové systémy, ktoré dodávajú požadovaný 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. Hielscher Ultrazvukové priemyselné jednotky, ako sú UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW), a UIP16000 (16kW) sú najvýkonnejšie a robustné vysokovýkonné ultrazvukové systémy na trhu. Všetky naše priemyselné jednotky môžu byť nepretržite prevádzkované s veľmi vysokými amplitúdami až do 200μm v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje 24/7 prevádzku v ťažkých a náročných prostrediach. Hielscher dodáva špeciálne sonotródy a reaktory pre vysoké teploty, tlaky a korozívne kvapaliny. To robí naše priemyselné ultrasonicators najvhodnejšie pre extrakčné 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 UIP4000hdT
20 až 200L 4 až 20 l / min UIP6000hdT
neuv 10 až 100 l / min UIP16000
neuv väčšia strapec UIP16000

Kontaktuj nás! / Opýtajte sa nás!

Ak chcete požiadať o dodatočné informácie o homogenizácii ultrazvukom, použite nižšie uvedený formulár. Radi Vám ponúkame ultrazvukový systém spĺňajúci Vaše požiadavky.









Vezmite prosím na vedomie naše Zásady ochrany osobných údajov,




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. Zdroj: Deutsche Bank

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.

Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia.

Výkonná sonikácia od laboratória a laboratória až po priemyselnú výrobu.

Radi prediskutujeme váš proces.

Poďme sa skontaktovať.