Ultrazvočna tehnika za recikliranje litij-ionskih baterij
- Litij-ionske baterije, ki se uporabljajo v električnih avtomobilih, se pravkar prihajajo na masovni trg in z njim je treba razviti zmogljivosti recikliranja.
- Ultrazvočno izsuševanje je učinkovita, okolju prijazna tehnika za pridobivanje kovin, kot so Li, Mg, Co, Ni itd. Iz porabljenih Li-ionskih baterij.
- Hielscherjevi industrijski ultrazvočni sistemi za lužilne aplikacije so zanesljivi in robustni ter jih je mogoče enostavno integrirati v obstoječe naprave 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 glede ravnanja z odpadki in recikliranja. Baterije so glavni strošek voznika za EVs, in njihovo odstranjevanje je drago, preveč. Okoljski in ekonomski vidiki push za zaprto recikliranje zanke, saj odpadne baterije vsebuje dragocene materiale in pomaga zmanjšati ogljični odtis proizvodnje litij-ionske baterije.
Recikliranje litij-ionskih baterij se razvija v uspešen industrijski sektor, da se zagotovi prihodnja razpoložljivost redkih zemeljskih kovin in drugih sestavnih delov akumulatorja ter zmanjša okoljske stroške rudarstva.
Industrijsko ultrazvočno izlivanje
Ultrazvočno izločanje in odstranjevanje kovin je mogoče uporabiti za recikliranje litijevih kobaltovih oksidnih baterij (npr. Iz prenosnih računalnikov, pametnih telefonov itd.), Pa tudi za kompleksne litijeve-nikelj-mangan-kobaltne baterije (npr. Iz električnih vozil).
Visokonapetostni ultrazvok je dobro znan po svoji zmožnosti predelave kemičnih tekočin in gnojnic, da bi izboljšal prenos snovi in sprožil kemične reakcije.
Intenzivni učinki ultrazvočne moči temeljijo na pojavu akustične kavitacije. Z združitvijo visokonapetostnega ultrazvoka v tekočine / blazinice izmenični nizkotlačni in visokotlačni valovi v tekočinah ustvarjajo majhne vakuumske mehurčke. Majhne vakuumske praznine rastejo nad različnimi nizkotlačnimi / visokotlačnimi cikli, dokler se ne zrušijo. Zrušitvene vakuumske mehurčke lahko štejemo za mikroreaktorje, v katerih so temperature do 5000K, pritiski do 1000atm in stopnje ogrevanja in hlajenja nad 10-10 pojavijo. Poleg tega nastajajo močne hidrodinamične strižne sile in tekoči curki z hitrostjo do 280 m / s. Te ekstremne razmere akustične kavitacije ustvarjajo izredne fizikalne in kemične pogoje v sicer hladnih tekočinah in ustvarijo ugodno okolje za kemične reakcije (Ultrazvočna kemija).
48kW ultrazvočni procesor
za zahtevne primere, kot so izpiranje kovin
Ultrazvočno izločanje kovin iz izčrpanih odpadkov iz akumulatorja.
Velika prednost ultrazvočnega izlivanja in predelave kovin je natančen nadzor nad parametri postopka, kot so amplituda, tlak in temperatura. Ti parametri omogočajo natančno nastavitev reakcijskih pogojev na procesnem mediju in ciljni izhod. Poleg tega ultrazvočno izločanje odstranjuje celo najmanjše kovinske delce iz substrata, hkrati pa ohranja mikrostrukture. Okrepljeno predelavo kovin je posledica ultrazvočne izdelave zelo reaktivnih površin, povečanih reakcijskih hitrosti in izboljšanega transporta v masi. Sonikacijske procese je mogoče optimizirati z vplivanjem na vsak parameter in zato niso samo zelo učinkoviti, temveč tudi zelo energetsko učinkoviti.
Njegova natančna kontrola parametrov in energetska učinkovitost omogočata ultrazvočno izločanje ugodne in izvrstne tehnike – še posebej v primerjavi s kompliciranimi kislinami za izpiranje in kelacijo.
Ultrazvočno obnovitev LiCoO2 od porabljenih litij-ionskih baterij
Ultrasonication pomaga zmanjšati izpuste in kemične padavine, ki se uporabljajo za izterjavo Li kot Li2CO3 in Co kot Co (OH)2 iz odpadnih litij-ionskih baterij.
Zhang et al. (2014) poroča o uspešni izterjavi LiCoO2 z uporabo ultrazvočnega reaktorja. da bi pripravili začetno raztopino 600 ml, so dali 10 g neveljavnega LiCoO2 prašek v čašo in dodali 2,0 mol / L LiOH raztopine, ki je bila mešana.
Mešanico smo vlili v ultrazvočno obsevanje in začela mešalna priprava, mešalna naprava je bila nameščena v notranjost reakcijske posode. Ogrevan je na 120 ° C, nato pa na ultrazvočne naprave je bil nastavljen na 800 W in ultrazvočni način delovanja je bil nastavljen na impulzne dolžine 5 sekund. ON / 2sec. OFF. Ultrazvočno obsevanje smo uporabili 6 h, nato pa smo reakcijsko zmes ohladili na sobno temperaturo. Trden ostanek smo večkrat sprali z deionizirano vodo in sušili pri 80 ° C do konstantne mase. Dobljeni vzorec smo zbrali za nadaljnje testiranje in proizvodnjo akumulatorja. Kapaciteta polnjenja v prvem ciklu je 134.2mAh / g, kapaciteta izpusta pa je 133.5mAh / g. Učinkovitost polnjenja in izpraznitve je bila prvič 99,5%. Po 40 ciklih je zmogljivost praznjenja še vedno 132,9 mAh / g. (Zhang et al., 2014)
Uporabili smo kristale LiCoO2 pred (a) in po (b) ultrazvočnem zdravljenju pri 120 ° C 6 ur. vir: Zhang et al. 2014
Ultrazvočno izluževanje z organskimi kislinami, kot je citronska kislina, ni samo učinkovito, ampak tudi okolju prijazno. Raziskave so pokazale, da je izločanje Co in Li učinkovitejše pri citronski kislini kot pri anorganskih kislinah H2Tako4 in HCl. Več kot 96% Co in skoraj 100% Li smo pridobili iz porabljenih 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 sonifikacije.
High-Power Industrial Ultrazvoka
Hielscher Ultrazvoka je vaš dolgoletni dobavitelj za visoko učinkovite in zanesljive ultrazvočne sisteme, ki zagotavljajo potrebno moč za izsesavanje kovin iz odpadnih materialov. Za ponovno obdelavo litij-ionskih baterij z ekstrakcijo kovin, kot so kobalt, litij, nikelj in mangan, so nujni močni in robustni ultrazvočni sistemi. Hielscher Ultrazvočna’ industrijske enote, kot so UIP4000hdT (4 kW), UIP10000 (10kW) in UIP16000 (16kW) so najmočnejši in robustni visoko zmogljivi ultrazvočni sistemi na trgu. Vse naše industrijske enote se lahko neprekinjeno vodijo z zelo visokimi amplitudami do 200μm v 24-urnem delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojeni ultrazvočni sonotrodi. Robustnost Hielscherjeve ultrazvočne opreme omogoča 24 urno obratovanje v težkih razmerah in v zahtevnih okoljih. Hielscher dobavlja posebne sonotrode in reaktorje za visoke temperature, tlake in korozivne tekočine. To naredi naše industrijske ultrazvočne naprave najbolj primerne za tehnike ekstraktivne metalurgije, npr. Hidrometalurške obdelave.
V spodnji tabeli vam daje podatek o približni zmogljivosti obdelave naših ultrasonicators:
| serija Volume | Pretok | Priporočena naprave |
|---|---|---|
| 00,1 do 20L | 00,2 do 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L / min | UIP4000 |
| ni podatkov | 10 do 100L / min | UIP16000 |
| ni podatkov | večja | gruča UIP16000 |
Dejstva je treba vedeti
Litij-ionske baterije
Litij-ionske baterije (LIB) so kolektivni termini za (polnljive) baterije, ki nudijo visoko energijsko gostoto in so pogosto integrirani v potrošniško elektroniko, kot so elektronski avtomobili, hibridni avtomobili, prenosni računalniki, mobilni telefoni, iPod-ji itd. V primerjavi s druge različice baterij za ponovno polnjenje s podobno velikostjo in zmogljivostjo, so LIB bistveno lažje.
Za razliko od litijevih primarnih baterij za enkratno uporabo, LIB uporablja elektrokardiramo interkalirano litijevo spojino namesto kovinskega litija. Glavne sestavine litij-ionske baterije so njene elektrode – anoda in katoda – in elektrolit.
Večina celic ima skupne komponente v smislu elektrolita, separatorja, folij in ohišja. Glavna razlika med celičnimi tehnologijami je material, uporabljen kot “aktivni materiali” kot so katoda in anoda. Grafit je najpogosteje uporabljen material kot anoda, medtem ko je katoda izdelana iz slojevitega LiMO2 (M = Mn, Co in Ni), spinel LiMn2O4, ali olivin LiFePO4. Elektrolitni organski tekoči elektroliti (npr. Sol soli LiPF6, raztopljeni v mešanici organskih topil, kot so etilen karbonat (EC), dimetil karbonat (DMC), dietil karbonat (DEC), etil metil karbonat (EMC) itd. ionsko gibanje.
Odvisno od pozitivnih (katodnih) in negativnih (anodnih) elektrodnih materialov se gostota energije in napetost LIB razlikujejo.
Pri uporabi v električnih vozilih se pogosto uporablja električna baterija (EVB) ali pogonska baterija. Take vlečne baterije se uporabljajo v viličarjih, električnih vozičkih za golf, pralnih čistilcev, električnih motornih koles, električnih avtomobilov, tovornjakov, kombijev in drugih električnih vozil.
Recikliranje kovin iz izrabljenih litij-ionskih baterij
V primerjavi z drugimi vrstami baterij, ki pogosto vsebujejo svinec ali kadmij, Li-ionske baterije vsebujejo manj strupene kovine in zato veljajo za okolju prijazne. Vendar pa je ogromna poraba porabljenih Li-ionskih baterij, ki jih bodo morali odstraniti kot porabljene baterije iz električnih avtomobilov, predstavljali problem z odpadki. Zato je potrebna zaprta reciklirna zanka Li-ionskih baterij. Z gospodarskega vidika lahko kovinske elemente, kot so železo, baker, nikelj, kobalt in litij, obnovimo in ponovno uporabimo pri proizvodnji novih baterij. Recikliranje bi lahko preprečilo tudi pomanjkanje v prihodnosti.
Čeprav prihajajo na trg baterije z višjimi obremenitvami niklja, ni mogoče proizvajati baterij brez kobalta. Večja vsebnost niklja je stroškovno ugodna: s povečano vsebnostjo niklja stabilnost baterije zmanjša in s tem zmanjša življenjsko dobo cikla in možnost hitrega polnjenja.
Rastoče povpraševanje po Li-ionskih baterijah zahteva povečanje zmogljivosti recikliranja odpadnih baterij.
Postopek recikliranja
Baterije električnih vozil, kot je Tesla Roadster, imajo približno 10 let življenjske dobe.
Recikliranje izčrpanih litij-ionskih baterij je zahteven proces, saj gre za visokonapetostne in nevarne kemikalije, ki prihajajo s tveganji termične izgube, električnega udara in emisij nevarnih snovi.
Za vzpostavitev recikliranja z zaprto zanko mora biti vsaka kemična vez in vsi elementi ločeni v njihove posamezne frakcije. Vendar pa je energija, potrebna za recikliranje z zaprto zanko, zelo draga. Najbolj dragoceni materiali za predelavo so kovine, kot so Ni, Co, Cu, Li itd., Saj drago rudarstvo in visoke tržne cene kovinskih komponent omogočajo recikliranje gospodarsko privlačne.
Postopek recikliranja Li-ionskih baterij se začne z razstavljanjem in praznjenjem baterij. Preden odprete baterijo, je potrebna pasivizacija za deaktiviranje kemikalij v bateriji. Pasivacija se lahko doseže s kriogensko zamrzovanjem ali nadzorovano oksidacijo. Odvisno od velikosti akumulatorja lahko baterije razstavite in razstavite v celico. Po demontaži in drobljenju so sestavine izolirane z več metodami (npr. Presejanjem, sejanjem, izbiranjem roke, magnetnim, mokrim in balističnim ločevanjem), da odstranimo celično ohišje, aluminij, baker in plastiko iz prahu elektrode. Ločevanje elektrodnih materialov je potrebno za nadaljnje postopke, npr. Hidrometalurško obdelavo.
Piroza
Za pirolitsko obdelavo se izkopane baterije izplaknejo v peči, kjer se kot aparat za žlindro doda apnenec.
Hidrotermični procesi
Hidrometalurško obdelava temelji na kislih reakcijah, da bi se soli kot kovine obarale. Tipični hidrometalurški postopki vključujejo izluževanje, padavine, izmenjavo ionov, ekstrakcijo s topilom in elektrolizo vodnih raztopin.
Prednost hidrotermalne obdelave je visok izkoristek + 95% Ni in Co kot soli, + 90% Li je mogoče oboriti, preostanek pa je mogoče predelati do + 80%.
Kobalt je še posebej pomemben sestavni del litij-ionskih akumulatorskih katod za visoke porabe energije in moči.
Trenutne hibridne avtomobile, kot je Toyota Prius, uporabljajo nikelj-kovinske hidridne baterije, ki so razstavljene, izpraznjene in reciklirane na podoben način kot Li-ionske baterije.
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.
Zmogljiva sonikacija iz laboratorija in klopi na industrijsko proizvodnjo.