Ultrazvuk zvyšuje efektívnosť recyklácie lítiovo-iónových batérií

Lítium je vzácny a veľmi cenný materiál prítomný vo vysokovýkonných batériách, ako sú lítiovo-iónové batérie. Lítium je najcennejší materiál získavaný pri recyklácii lítiovo-iónových batérií, ale aj ďalšie minerály a kovy, ako sú kobalt, mangán, nikel, meď a hliník, sú cennými surovinami na spätné získavanie. Ultrazvuk s vysokou intenzitou sa používa ako technika miešania s vysokým šmykom a lúhovania na extrakciu, odstraňovanie a rozpúšťanie cenných minerálov a kovov z použitých batérií. Metóda sonikácie je vysoko účinná, energeticky efektívna a ľahko dostupná na inštaláciu v plne komerčných recyklačných prevádzkach.

Prehľad: proces recyklácie lítiovo-iónových batérií

Proces recyklácie drahých kovov a materiálov z použitých lítiovo-iónových batérií zvyčajne zahŕňa niekoľko krokov. Tu je všeobecný prehľad:

1. Zber a triedenie: Použité lítiovo-iónové batérie sa zbierajú a triedia podľa typu a chemického zloženia.
2. Demontáž: Najprv sa rozbije a odstráni plastový kryt batérie. Potom sa batéria bez krytu vloží do kvapalného dusíka, aby sa neutralizovali reaktívne, výbušné látky. Tento krok zabezpečuje, aby sa zabránilo náhlemu uvoľneniu všetkej uloženej energie a s tým súvisiacemu následnému vznieteniu a výbuchu. Batérie sa potom rozoberú, aby sa oddelili jednotlivé súčasti, ako sú katóda, anóda, elektrolyt a puzdro.
3. Drvenie: Rozobraté batérie sa drvia na menšie kusy, aby sa zväčšila plocha povrchu pre následné procesy.
4. Delaminácia elektród: Pred spracovaním na extrakciu kovov sa musia oddelené elektródy, teda katóda a anóda, ďalej rozobrať. Keďže katódový materiál je zvyčajne pripevnený k hliníkovej fólii spojivom, bežne polyvinylidénfluoridom (PVDF) alebo polytetrafluóretylénom (PTFE), vzájomné oddelenie katódy a hliníkovej fólie je náročná úloha.
5. Chemické spracovanie: Rozdrvené súčasti batérií prechádzajú rôznymi postupmi chemického spracovania s cieľom rozpustiť a oddeliť jednotlivé materiály. To môže zahŕňať lúhovanie kyselinou alebo inými rozpúšťadlami na extrakciu cenných kovov, ako sú lítium, kobalt, nikel a meď.
6. Spätné získavanie a čistenie: Rozpustené kovy sa potom spätne získavajú z roztoku pomocou procesov, ako sú zrážanie, extrakcia rozpúšťadlom alebo elektrochemické metódy. Tieto kroky pomáhajú čistiť a koncentrovať drahé kovy.

Sonikácia zlepšuje spätné získavanie drahých kovov

Výkonový ultrazvuk môže zlepšiť kroky delaminácie elektród a lúhovania drahých kovov a materiálov zintenzívnením reakcií, čím sa výrazne zvyšuje efektívnosť procesu spätného získavania. Sonikácia je technika, ktorá využíva ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou na vytváranie mechanických vibrácií a akustickej kavitácie v kvapalnom prostredí. Silné účinky ultrazvuku sa využívajú na zlepšenie procesu recyklácie drahých kovov z použitých lítiovo-iónových batérií niekoľkými spôsobmi:
 

1. Dezintegrácia: Pôsobenie ultrazvuku rozrušuje rozdrvené materiály batérií, čím vznikajú menšie častice. Menšie častice poskytujú väčšiu plochu povrchu, vďaka čomu je chemické lúhovanie účinnejšie a uľahčuje sa uvoľňovanie cenných kovov.
2. Zlepšené lúhovanie: Použitie ultrazvuku počas lúhovania môže zlepšiť kontakt medzi tuhým materiálom a lúhovacím roztokom, čím sa zvyšuje účinnosť extrakcie kovov. Ultrazvukové lúhovanie podporuje extrakciu kovov a zvyšuje výťažnosť spätne získavaných kovov a minerálov, ako sú kobalt, mangán, nikel, meď a hliník.
3. Zlepšená delaminácia elektród: Cieľom delaminácie elektród pri recyklácii batérií je oddeliť jednotlivé zložky, ako sú elektródy, elektrolyty a separátory, aby sa mohli ďalej samostatne spracovávať alebo recyklovať. Pôsobenie ultrazvuku napomáha oddeľovaniu a odstraňovaniu povlakov z elektródy. Sonomechanické sily podporujú účinné oddeľovanie vrstiev elektród.
4. Urýchlené reakcie: Pôsobenie ultrazvuku podporuje rýchlejšie a dôkladnejšie miešanie, čo môže urýchliť chemické reakcie počas krokov získavania a čistenia kovov.
5. Znížená spotreba energie: Pôsobenie ultrazvuku môže zvýšiť efektívnosť procesu a znížiť čas a energiu potrebné na získavanie kovov z použitých batérií.

 
Pôsobenie ultrazvuku môže priaznivo prispieť k zlepšeniu procesu recyklácie drahých kovov a materiálov z použitých lítiovo-iónových batérií zvýšením účinnosti a efektívnosti jednotlivých krokov recyklačného procesu.
Procesné kroky ultrazvukového lúhovania kovov a delaminácie elektród možno prispôsobiť jednotlivým recyklačným procesom, ktoré sa môžu líšiť, keďže spoločnosti špecializujúce sa na recykláciu lítiovo-iónových batérií vyvíjajú a upravujú svoje procesy s cieľom dosiahnuť najvyššiu efektívnosť.

Ultrazvuková kavitácia na oddeľovanie katódy

Pôsobenie ultrazvuku oddeľuje katódové materiály od hliníkovej fólie účinkami akustickej kavitácie. Akustická alebo ultrazvuková kavitácia sa vyznačuje lokálne sa vyskytujúcimi vysokými tlakmi, vysokými teplotami a ich následnými poklesmi, ktoré vedú k príslušným tlakovým a teplotným rozdielom, ako aj k intenzívnym mikroturbulenciám a mikroprúdom s vysokým šmykovým účinkom. Tieto kavitačné sily pôsobia na rozhrania povrchov, podporujú prenos hmoty a spôsobujú eróziu. Vytváraním takýchto intenzívnych síl chemickej, fyzikálnej, tepelnej a mechanickej povahy zabezpečuje ultrazvuková kavitácia potrebné premiešavanie a prenos hmoty na rozrušenie štruktúry organického spojiva používaného v lítiovo-iónových batériách na upevnenie katódy k prúdovému kolektoru / hliníkovej fólii.
Zatiaľ čo samotné mechanické premiešavanie, napríklad miešanie, nestačí na účinné oddelenie katódového materiálu od hliníkovej fólie, pôsobenie ultrazvuku s vysokou intenzitou poskytuje potrebnú sonochemickú a sonomechanickú energiu na úplné odstránenie katódového materiálu z prúdových kolektorov. Na rozdiel od mechanického miešania vytvára ultrazvuková kavitácia intenzívne turbulencie, lokálne vysoké teploty a tlaky, ako aj premiešavanie, prúdenie a kvapalinové prúdy, ktoré rozrušujú spojivo, napr. PVDF alebo PTFE, spájajúce katódu s Al fóliou, a narúša povrch katódy aj Al fólie eróziou. Tým sa spojivo medzi oboma materiálmi dôkladne rozruší a katóda a hliníková fólia sa účinne oddelia.
Napríklad ultrazvukové oddeľovanie dosahuje vysokú účinnosť odstránenia katódy na úrovni 99% pri použití N-metyl-2-pyrolidónu (NMP) ako rozpúšťadla pri 70°C (ultrazvukový výkon 240 W a čas ultrazvukového spracovania 90 min). Keďže ultrazvukové oddeľovanie katódy rovnomerne disperguje materiál a zabraňuje tvorbe väčších aglomerátov, uľahčuje sa následný proces lúhovania kovov.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej delaminácii elektród na získavanie aktívnych materiálov a fólií prúdových kolektorov!

Ultrazvukové lúhovanie minerálov

Vyššie opísané účinky ultrazvukovej kavitácie podporujú aj lúhovanie kovov z použitých batérií. Ultrazvukové spracovanie s vysokou intenzitou sa používa nielen na získavanie minerálov pri recyklácii batérií, ale často aj v hydrometalurgii a pri lúhovaní cenných rúd (napr. banských hlušín). Vysoké lokálne teploty, tlaky a šmykové sily zintenzívňujú lúhovanie kovov a výrazne zvyšujú jeho účinnosť. Zatiaľ čo v kavitačných horúcich miestach lokálne vznikajú extrémne vysoké teploty až 1000 K, celkové podmienky lúhovania vyžadujú iba miernu teplotu približne 50–60°C. Vďaka tomu je ultrazvukové získavanie kovov energeticky účinné a hospodárne.
Ultrazvukové lúhovanie minerálov z použitých lítiovo-iónových batérií sa vyznačuje vysokou mierou výťažnosti a účinnosťou. Napríklad kyselina sírová (H2SO4) sa úspešne použila ako lúhovacie činidlo v prítomnosti peroxidu vodíka (H2O2) pri ultrazvukovom získavaní minerálov z katódy. Ultrazvukovým lúhovaním s kyselinou sírovou sa dosiahla výťažnosť 94,63% pri kobalte a 98,62% pri lítiu.
Ultrazvukové lúhovanie s organickou kyselinou citrónovou (C6H8O7·H2O) vedie k veľmi vysokej výťažnosti medi a lítia, pričom sa z použitých lítiovo-iónových batérií získava 96% medi a takmer 100% lítia.

Jednoducho a bezpečne: Zväčšovanie rozsahu ultrazvukových procesov od skúšok uskutočniteľnosti po priemyselnú recykláciu

Vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia na recykláciu lítiovo-iónových batérií sú ľahko dostupné na stolovú, poloprevádzkovú aj priemyselnú inštaláciu. Keďže ultrazvukové oddeľovanie katód a ultrazvukové lúhovanie minerálov z použitých batérií sú už osvedčené procesy, postup od prvých skúšok cez optimalizáciu podľa vašich konkrétnych procesných požiadaviek až po inštaláciu plne priemyselného systému na ultrazvukové oddeľovanie a/alebo lúhovanie je rýchly a jednoduchý.
Prečítajte si viac o výhodách ultrazvukového lúhovania pre udržateľnú recykláciu batérií a získavanie surovín z mestského odpadu!

Vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia na recykláciu batérií

Hielscher Ultrasonics dodáva vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia všetkých veľkostí a kapacít. Modelom UIP16000 (16kW) vyrába Hielscher najvýkonnejší ultrazvukový procesor na svete. UIP16000, ako aj všetky ostatné priemyselné ultrazvukové systémy možno jednoducho spájať do zostáv na dosiahnutie požadovanej spracovateľskej kapacity. Všetky ultrazvukové zariadenia Hielscher sú skonštruované na prevádzku 24/7 pri plnom zaťažení a v náročných prostrediach.
Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200µm možno ľahko nepretržite udržiavať v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru.

Ultrazvukové sondy a sonochemické reaktory pre akýkoľvek objem

Sortiment Hielscher Ultrasonics pokrýva celé spektrum ultrazvukových procesorov od kompaktných laboratórnych ultrazvukových zariadení cez stolové a poloprevádzkové systémy až po plne priemyselné ultrazvukové procesory s kapacitou spracovať za hodinu objem zodpovedajúci nákladu viacerých nákladných vozidiel. Kompletný sortiment nám umožňuje ponúknuť vám najvhodnejšie ultrazvukové zariadenie pre vašu aplikáciu, procesnú kapacitu a výrobné ciele.

Presne regulovateľné amplitúdy pre optimálne výsledky

Všetky ultrazvukové procesory Hielscher možno presne ovládať, a preto sú spoľahlivými pomocníkmi vo výskume, vývoji a výrobe. Amplitúda je jedným z kľúčových procesných parametrov, ktoré ovplyvňujú účinnosť a efektívnosť sonochemicky a sonomechanicky vyvolaných reakcií. Všetky procesory Hielscher Ultrasonics umožňujú presné nastavenie amplitúdy. Sonotródy a zosilňovacie nadstavce sú príslušenstvom, ktoré umožňuje meniť amplitúdu v ešte širšom rozsahu. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy a poskytovať požadovanú intenzitu ultrazvuku pre náročné aplikácie. Amplitúdy až do 200µm možno bez problémov udržiavať nepretržite v prevádzke 24/7.
Presné nastavenie amplitúdy a neustále monitorovanie parametrov ultrazvukového procesu pomocou inteligentného softvéru vám umožňujú oddeľovať katódu od hliníkovej fólie, ako aj lúhovať minerály a kovy z použitých Li-ion batérií pri najúčinnejších ultrazvukových podmienkach. Optimálna sonikácia pre najefektívnejšiu recykláciu Li-ion batérií!
Robustnosť ultrazvukových prístrojov Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach. Vďaka tomu sú sonikátory Hielscher spoľahlivým pracovným nástrojom, ktorý spĺňa požiadavky vášho recyklačného procesu.

Najvyššia kvalita – navrhnuté a vyrobené v Nemecku

Ako rodinný podnik vo vlastníctve a pod vedením rodiny kladie Hielscher pri svojich ultrazvukových procesoroch dôraz na najvyššie štandardy kvality. Všetky ultrazvukové prístroje sa navrhujú, vyrábajú a dôkladne testujú v našom sídle v Teltowe neďaleko Berlína v Nemecku. Robustnosť a spoľahlivosť ultrazvukových zariadení Hielscher z nich robia spoľahlivých pomocníkov vo vašej výrobe. Prevádzka 24/7 pri plnom zaťažení a v náročných prostrediach je prirodzenou vlastnosťou vysokovýkonných ultrazvukových sond a reaktorov Hielscher.

Nasledujúca tabuľka poskytuje orientačný prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov:

Užitočné informácie

Čo sú lítiovo-iónové batérie?

Lítiovo-iónová batéria, tiež označovaná ako Li-ion batéria, je typ nabíjateľnej batérie. V porovnaní s batériami na báze olova a niklu používajú lítiovo-iónové zariadenia katódu, anódu a elektrolyt ako vodič.
Tak ako všetky batérie, aj Li-ion batérie uchovávajú chemickú energiu, ktorá sa následne premieňa na elektrickú energiu s cieľom poskytnúť statický elektrický náboj na napájanie.
Lítiovo-iónové batérie sa bežne používajú v prenosnej elektronike, ako sú notebooky a smartfóny, ako aj v elektrických vozidlách. Používanie Li-ion batérií vyvoláva rastúci záujem aj zo strany armády a spoločností pôsobiacich v leteckom a kozmickom priemysle.