Ultrazvok za recikliranje litij-ionskih baterij

• Litij-ionske baterije, ki se uporabljajo v električnih avtomobilih, šele zdaj prihajajo na množični trg, s tem pa je treba razviti zmogljivosti za recikliranje.
• Ultrazvočno izpiranje je učinkovita, okolju prijazna tehnika za pridobivanje kovin, kot so Li, Mg, Co, Ni itd., Iz izrabljenih Li-ionskih baterij.
• Hielscher industrijski ultrazvočni sistemi za izpiranje so zanesljivi in robustni ter jih je mogoče enostavno vključiti v obstoječe obrate za recikliranje.

Recikliranje litij-ionskih baterij

Litij-ionske baterije se pogosto uporabljajo v električnih vozilih (EV), prenosnih računalnikih in mobilnih telefonih. To pomeni, da so izrabljene litij-ionske baterije trenutni izziv pri ravnanju z odpadki in recikliranju. Baterije so glavni stroškovni dejavnik za električna vozila, njihovo odstranjevanje pa je tudi drago. Okoljski in ekonomski vidiki spodbujajo zaprto zanko recikliranja, saj odpadki baterij vsebujejo dragocene materiale in pomagajo zmanjšati ogljični odtis proizvodnje litij-ionskih baterij.
Recikliranje litij-ionskih baterij raste v uspešen industrijski sektor, da bi zagotovili prihodnjo razpoložljivost redkih zemeljskih kovin in drugih sestavnih delov baterij ter zmanjšali okoljske stroške rudarjenja.

Pirometalurško in hidrometalurško recikliranje v primerjavi z ultrazvočnim recikliranjem baterij

V nadaljevanju primerjamo konvencionalne metode pirometalurških in hidrometalurških procesov s tehniko ultrazvočnega izpiranja glede prednosti in slabosti.

Pomanjkljivosti običajnega recikliranja baterij

Tradicionalne metode, ki se uporabljajo za recikliranje litij-ionskih baterij, vključujejo pirometalurške in hidrometalurške procese.
 
Pirometalurške metode vključujejo visokotemperaturne procese, kot sta taljenje ali sežiganje. Baterije so izpostavljene ekstremni vročini, zaradi česar organske komponente izgorijo, preostale kovinske komponente pa se stopijo in ločijo. Vendar pa imajo te metode nekaj pomanjkljivosti:

• Vpliv na okolje: Pirometalurški procesi sproščajo škodljive emisije in onesnaževala v ozračje, kar prispeva k onesnaževanju zraka in potencialno povzroča nevarnost za zdravje.
• Izguba materiala: Visokotemperaturni procesi lahko povzročijo izgubo dragocenih materialov in kovin zaradi toplotne razgradnje, kar zmanjša celotno stopnjo predelave.
• Energetsko intenzivno: Te metode običajno zahtevajo znaten vnos energije, kar povečuje operativne stroške in okoljski odtis.

 
Hidrometalurške metode vključujejo kemično izpiranje za raztapljanje komponent baterije in pridobivanje dragocenih kovin. Medtem ko je bolj okolju prijazna kot pirometalurške metode, ima hidrometalurgija svoje pomanjkljivosti:

• Kemična uporaba: Za izpiranje so potrebne močne kisline ali druge jedke kemikalije, kar vzbuja zaskrbljenost glede ravnanja s kemikalijami, ravnanja z odpadki in morebitne onesnaženosti okolja.
• Izzivi selektivnosti: Doseganje selektivnega izpiranja želenih kovin je lahko težavno, kar vodi do nižjih stopenj predelave in morebitne izgube dragocenih virov.

 

Prednosti ultrazvočnega izpiranja baterij pred konvencionalnimi tehnikami

V primerjavi s pirometalurškimi in hidrometalurškimi tehnikami recikliranja ultrazvočna tehnika recikliranja baterij presega različne prednosti:

1. Izboljšana učinkovitost: Ultrazvočna ultrazvočna razbijanje lahko pospeši razgradnjo baterijskih materialov, kar ima za posledico krajši čas obdelave in višjo splošno učinkovitost.
2. Izboljšane stopnje okrevanja: Nadzorovana uporaba ultrazvočne kavitacije povečuje razgradnjo komponent baterije, kar povečuje stopnjo predelave dragocenih kovin.
3. Okolju prijazno: Ultrazvočno recikliranje zmanjšuje odvisnost od visokih temperatur in ostrih kemikalij, zmanjšuje vpliv na okolje in zmanjšuje emisije onesnaževal.
4. Selektivno izpiranje: Nadzorovana uporaba ultrazvoka omogoča ciljno motenje določenih komponent v bateriji in njihovo učinkovito ločevanje. Ker se različne baterijske spojine, ki jih je mogoče reciklirati, odstranijo in raztopijo pod specifičnimi ultrazvočnimi intenzivnostmi, optimizirani parametri obdelave omogočajo selektivno izpiranje posameznih materialov. To olajša učinkovito ločevanje dragocenih kovin in materialov.
5. Zmanjšana poraba energije: V primerjavi z obema, hidrometalurškimi in zlasti pirometalurškimi metodami, je ultrazvočno recikliranje na splošno bolj energetsko učinkovito, kar vodi do nižjih operativnih stroškov in zmanjšanja ogljičnega odtisa.
6. Razširljivost in prilagodljivost: Ultrazvočne sisteme je mogoče enostavno povečati ali zmanjšati, da se prilagodijo različnim velikostim baterij in proizvodnim zmogljivostim. Poleg tega je mogoče ultrazvočne naprave za recikliranje baterij enostavno integrirati v že obstoječe obrate za recikliranje baterij. Ultrazvočni aparati, ki so na voljo na različnih lestvicah in ustreznih dodatkih, kot so ultrazvočne sonde in reaktorji pretočnih celic, lahko upravljajo s komponentami baterij različnih velikosti in proizvodnih zmogljivosti, kar zagotavlja razširljivost in prilagodljivost v procesih recikliranja.
7. Sinergistična integracija: Ultrazvočno izpiranje se lahko vključi v obstoječe linije za recikliranje hidrometalurških baterij, da se okrepi in izboljša hidrometalurško izpiranje dragocenih kovin in materialov iz izrabljenih Li-ionskih baterij.

Na splošno ultrazvočno recikliranje baterij obljublja kot okolju prijaznejša, učinkovitejša in selektivnejša metoda v primerjavi s tradicionalnimi pirometalurškimi in hidrometalurškimi pristopi.

 

Industrijsko ultrazvočno izpiranje za predelavo kovin iz izrabljenih baterij

Ultrazvočno izpiranje in ekstrakcija kovin se lahko uporablja za postopke recikliranja litij-kobaltovih oksidnih baterij (npr. iz prenosnih računalnikov, pametnih telefonov itd.) in kompleksnih litij-nikelj-mangan-kobaltnih baterij (npr. iz električnih vozil).
Ultrazvok visoke moči je dobro znan po svoji sposobnosti obdelave kemičnih tekočin in gnojevk, da bi izboljšal prenos mase in sprožil kemične reakcije.
Intenzivni učinki ultrazvočne moči temeljijo na pojavu akustične kavitacije. S spajanjem ultrazvoka visoke moči v tekočine / gnojevke izmenični nizkotlačni in visokotlačni valovi v tekočinah ustvarjajo majhne vakuumske mehurčke. Majhne vakuumske praznine rastejo v različnih nizkotlačnih / visokotlačnih ciklih, dokler silovito ne implodirajo. Padajoče vakuumske mehurčke lahko obravnavamo kot mikroreaktorje, v katerih temperature do 5000 K, tlaki do 1000 atm ter hitrosti ogrevanja in hlajenja nad 10^-10 Pojavijo. Poleg tega se ustvarjajo močne hidrodinamične strižne sile in tekoči curki s hitrostjo do 280 m / s. Ti ekstremni pogoji akustične kavitacije ustvarjajo izredne fizikalne in kemijske pogoje v sicer hladnih tekočinah in ustvarjajo ugodno okolje za kemijske reakcije (tako imenovane Sonokemija).

Ultrazvočno ustvarjena kavitacija lahko povzroči termolizo raztopljenih snovi ter tvorbo visoko reaktivnih radikalov in reagentov, kot so prosti radikali, hidroksidni ioni (•OH,) hidronij (H)₃O+) itd., ki zagotavljajo izredne reaktivne pogoje v tekočini, tako da se hitrost reakcije znatno poveča. Trdne snovi, kot so delci, pospešujejo tekočinski curki in se zmeljejo z interposebnim trkom in abrazijo, kar poveča aktivno površino in s tem prenos mase.
Velika prednost ultrazvočnega izpiranja in predelave kovin je natančen nadzor nad procesnimi parametri, kot so amplituda, tlak in temperatura. Ti parametri omogočajo natančno prilagoditev reakcijskih pogojev procesnemu mediju in ciljnemu izhodu. Poleg tega ultrazvočno izpiranje odstrani tudi najmanjše kovinske delce iz substrata, hkrati pa ohrani mikrostrukture. Izboljšana predelava kovin je posledica ultrazvočnega ustvarjanja visoko reaktivnih površin, povečane hitrosti reakcije in izboljšanega transporta mase. Ultrazvočne procese je mogoče optimizirati z vplivanjem na vsak parameter in zato niso le zelo učinkoviti, ampak tudi zelo energetsko učinkoviti.
Zaradi natančnega nadzora parametrov in energetske učinkovitosti je ultrazvočno izpiranje ugodna in odlična tehnika – še posebej v primerjavi z zapletenimi tehnikami izpiranja in kelatiranja s kislino.

Ultrazvočno izterjava LiCoO₂ iz izrabljenih litij-ionskih baterij

Ultrasonication pomaga pri reduktivnem izpiranju in kemičnih padavinah, ki se uporabljajo za obnovitev Li kot Li₂CO₃ in Co kot Co(OH)₂ iz odpadnih litij-ionskih baterij.
Zhang et al. (2014) poročajo o uspešnem okrevanju LiCoO₂ z uporabo ultrazvočnega reaktorja. da bi pripravili začetno raztopino 600 ml, so dali 10 g neveljavnega LiCoO₂ prašek v čaši in dodal 2,0 mol/l raztopine LiOH, ki se zmeša.
Mešanica je bila vlijena v ultrazvočno obsevanje in vklopna naprava se je zagnala, mešalna naprava je bila nameščena v notranjost reakcijske posode. Segreli so ga na 120 ° C, nato pa ultrazvočna naprava je bil nastavljen na 800 W, ultrazvočni način delovanja pa je bil nastavljen na impulzne delovne cikle 5 sekund. Ultrazvočno obsevanje je bilo uporabljeno 6 ur, nato pa se je reakcijska mešanica ohladila na sobno temperaturo. Trdni ostanek je bil večkrat spran z deionizirano vodo in posušen pri 80 ° C do konstantne teže. Dobljeni vzorec je bil odvzet za nadaljnje testiranje in izdelavo baterij. Zmogljivost polnjenja v prvem ciklu je 134,2 mAh / g, zmogljivost praznjenja pa 133,5 mAh / g. Učinkovitost prvega polnjenja in praznjenja je bila 99,5%. Po 40 ciklih je zmogljivost praznjenja še vedno 132,9 mAh / g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Ultrazvočno izpiranje z organskimi kislinami, kot je citronska kislina, ni le učinkovito, ampak tudi okolju prijazno. Raziskave so pokazale, da je izpiranje Co in Li učinkovitejše s citronsko kislino kot z anorganskimi kislinami H2SO4 in HCl. Več kot 96% Co in skoraj 100% Li je bilo pridobljenih iz izrabljenih litij-ionskih baterij. Dejstvo, da so organske kisline, kot sta citronska kislina in ocetna kislina, poceni in biološko razgradljive, prispeva k nadaljnjim gospodarskim in okoljskim prednostim ultrazvočne obdelave.

Visoko zmogljiva industrijska ultrazvoka za izpiranje kovin iz izrabljenih baterij

Hielscher Ultrasonics je vaš dolgoletni dobavitelj za visoko učinkovite in zanesljive ultrazvočne sisteme, ki zagotavljajo potrebno moč za izpiranje kovin iz odpadnih materialov. Za predelavo litij-ionskih baterij z ekstrakcijo kovin, kot so kobalt, litij, nikelj in mangan, so bistveni močni in robustni ultrazvočni sistemi. Industrijske enote Hielscher Ultrasonics, kot so UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) in UIP16000 (16kW), so najmočnejši in robustni visoko zmogljivi ultrazvočni sistemi na trgu. Vse naše industrijske enote lahko neprekinjeno delujejo z zelo visokimi amplitudami do 200 μm v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Robustnost Hielscher ultrazvočne opreme omogoča 24/7 delovanje pri težkih obremenitvah in v zahtevnih okoljih. Hielscher dobavlja tudi posebne sonotrode in reaktorje za visoke temperature, tlake in korozivne tekočine. Zaradi tega so naši industrijski ultrazvočni aparati najprimernejši za tehnike ekstraktivne metalurgije, npr. hidrometalurške obdelave.

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:

---

---

Literatura/Reference

• 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.