Ultrasonikë për riciklimin e baterive litium-jon

• Bateritë litium-jon të përdorura në makinat elektrike sapo po vijnë në tregun masiv dhe bashkë me të duhet të zhvillohen kapacitete riciklimi.
• Shpëlarja me ultratinguj është një teknikë efikase, miqësore me mjedisin për të rikuperuar metale të tilla si Li, Mg, Co, Ni etj. nga bateritë e harxhuara Li-jon.
• Sistemet tejzanor industrial Hielscher për aplikimet e kullimit janë të besueshme dhe të fuqishme dhe mund të integrohen lehtësisht në impiantet ekzistuese të riciklimit.

Riciklimi i baterive litium-jon

Bateritë litium-jon përdoren gjerësisht në automjetet elektrike (EV), laptopët dhe telefonat celularë. Kjo do të thotë se bateritë e harxhuara litium-jon janë një sfidë aktuale në lidhje me menaxhimin dhe riciklimin e mbetjeve. Bateritë janë një shtytës kryesor i kostos për EV-të, dhe asgjësimi i tyre është gjithashtu i shtrenjtë. Aspektet mjedisore dhe ekonomike shtyjnë për një cikli të mbyllur riciklimi pasi mbetjet e baterive përmbajnë materiale të vlefshme dhe ndihmojnë në reduktimin e gjurmës së karbonit të prodhimit të baterive litium-jon.
Riciklimi i baterive Li-jon po rritet në një sektor të lulëzuar të industrisë për të siguruar disponueshmërinë e ardhshme të metaleve të tokës së rrallë dhe përbërësve të tjerë të baterive dhe për të reduktuar kostot mjedisore të minierave.

Riciklimi pirometalurgjik dhe hidrometalurgjik vs riciklimi i baterive tejzanor

Më poshtë, ne krahasojmë metodat konvencionale të proceseve pirometalurgjike dhe hidrometalurgjike me teknikën e kullimit me ultratinguj në lidhje me avantazhet dhe disavantazhet.

Të metat e riciklimit konvencional të baterive

Metodat tradicionale të përdorura për riciklimin e baterive litium-jon përfshijnë proceset pirometalurgjike dhe hidrometalurgjike.
 
Metodat pirometalurgjike përfshijnë procese me temperaturë të lartë si shkrirja ose djegia. Bateritë i nënshtrohen nxehtësisë ekstreme, duke bërë që përbërësit organikë të digjen, dhe përbërësit e mbetur metalikë shkrihen dhe ndahen. Sidoqoftë, këto metoda kanë disa disavantazhe:

• Ndikim mjedisor: Proceset pirometalurgjike lëshojnë emetime të dëmshme dhe ndotës në atmosferë, duke kontribuar në ndotjen e ajrit dhe duke shkaktuar potencialisht rreziqe për shëndetin.
• Humbja e materialeve: Proceset me temperaturë të lartë mund të rezultojnë në humbjen e materialeve dhe metaleve të vlefshme për shkak të degradimit termik, duke ulur shkallën e përgjithshme të rikuperimit.
• Energji intensive: Këto metoda zakonisht kërkojnë hyrje të konsiderueshme të energjisë, gjë që rrit kostot operacionale dhe gjurmën mjedisore.

 
Metodat hidrometalurgjike përfshijnë shpëlarje kimike për të shpërndarë komponentët e baterisë dhe për të nxjerrë metale të vlefshme. Ndërsa metodat pirometalurgjike janë më miqësore me mjedisin, hidrometalurgjia ka të metat e veta:

• Përdorimi kimik: Acidet e forta ose kimikate të tjera gërryese nevojiten për shpëlarje, gjë që ngre shqetësime për trajtimin e kimikateve, menaxhimin e mbetjeve dhe ndotjen e mundshme të mjedisit.
• Sfidat e selektivitetit: Arritja e shpëlarjes selektive të metaleve të dëshiruar mund të jetë e vështirë, duke çuar në shkallë më të ulët të rikuperimit dhe humbje të mundshme të burimeve të vlefshme.

 

Avantazhet e kullimit të baterive me ultratinguj mbi teknikat konvencionale

Kur krahasohet me të dyja, teknikat e riciklimit pirometalurgjik dhe hidrometalurgjik, teknika e riciklimit të baterive tejzanor konkurron për shkak të avantazheve të ndryshme:

1. Efikasiteti i rritur: Zërimi tejzanor mund të përshpejtojë prishjen e materialeve të baterisë, duke rezultuar në kohë më të shkurtra përpunimi dhe efikasitet më të lartë të përgjithshëm.
2. Normat e përmirësuara të rikuperimit: Aplikimi i kontrolluar i kavitacionit tejzanor rrit prishjen e komponentëve të baterisë, duke rritur shkallën e rikuperimit të metaleve të vlefshme.
3. Miqësore ndaj mjedisit: Riciklimi tejzanor redukton varësinë nga temperaturat e larta dhe kimikatet e ashpra, duke minimizuar ndikimin mjedisor dhe duke ulur emetimet e ndotësve.
4. Shpëlarja selektive: Aplikimi i kontrolluar i ultrazërit lejon përçarjen e synuar të komponentëve të veçantë brenda baterisë, duke i ndarë ato në mënyrë efikase. Meqenëse përbërës të ndryshëm të riciklueshëm të baterive hiqen dhe treten nën intensitete të veçanta ultrasonike, parametrat e optimizuar të përpunimit lejojnë një kullim selektiv të materialeve individuale. Kjo lehtëson ndarjen efikase të metaleve dhe materialeve të vlefshme.
5. Konsumi i reduktuar i energjisë: Krahasuar me të dyja, metodat hidrometalurgjike dhe veçanërisht me metodat pirometalurgjike, riciklimi me ultratinguj është përgjithësisht më efikas në energji, duke çuar në kosto më të ulëta operacionale dhe reduktim të gjurmës së karbonit.
6. Shkallueshmëria dhe fleksibiliteti: Sistemet tejzanor mund të rriten ose zvogëlohen lehtësisht për të akomoduar madhësi të ndryshme baterish dhe kapacitete prodhimi. Përveç kësaj, ultrasonikët për riciklimin e baterive mund të integrohen lehtësisht në objektet ekzistuese të riciklimit të baterive. Të disponueshëm në shkallë të ndryshme të fuqisë dhe aksesorë që përputhen, si sondat tejzanor dhe reaktorët e qelizave rrjedhëse, ultrasonikët mund të trajtojnë komponentët e baterive me madhësi dhe kapacitete të ndryshme prodhimi, duke siguruar shkallëzim dhe përshtatshmëri në proceset e riciklimit.
7. Integrimi sinergjik: Shpëlarja me ultratinguj mund të integrohet në linjat ekzistuese të riciklimit të baterive hidrometalurgjike, në mënyrë që të intensifikohet dhe përmirësohet kullimi hidrometalurgjik i metaleve dhe materialeve të vlefshme nga bateritë e shpenzuara Li-jon.

Në përgjithësi, riciklimi i baterive tejzanor premton si një metodë më miqësore me mjedisin, efikase dhe selektive në krahasim me qasjet tradicionale pirometalurgjike dhe hidrometalurgjike.

 

Shpëlarje industriale me ultratinguj për rikuperimin e metaleve nga bateritë e shpenzuara

Shpëlarja me ultratinguj dhe nxjerrja e metaleve mund të aplikohen në proceset e riciklimit të baterive të oksidit të litiumit të kobaltit (p.sh. nga laptopët, telefonat inteligjentë, etj.) si dhe të baterive komplekse litium-nikel-mangan-kobalt (p.sh. nga automjetet elektrike).
Ultratingulli me fuqi të lartë është i njohur për aftësinë e tij për të përpunuar lëngje kimike dhe slurra në mënyrë që të përmirësojë transferimin e masës dhe të fillojë reaksionet kimike.
Efektet intensive të ultrazërit të fuqisë bazohen në fenomenin e kavitacionit akustik. Duke bashkuar ultratingujt me fuqi të lartë në lëngje / llucë, valët e alternuara të presionit të ulët dhe presionit të lartë në lëngje gjenerojnë flluska të vogla vakumi. Boshllëqet e vogla të vakumit rriten gjatë cikleve të ndryshme të presionit të ulët / presionit të lartë derisa të shpërthejnë me dhunë. Flluskat e vakumit që shemben mund të konsiderohen si mikroreaktorë në të cilët temperaturat deri në 5000K, presionet deri në 1000atm dhe ritmet e ngrohjes dhe ftohjes mbi 10^-10 ndodhin. Për më tepër, gjenerohen forca të forta prerëse hidrodinamike dhe avionë të lëngshëm me shpejtësi deri në 280 m/s. Këto kushte ekstreme të kavitacionit akustik krijojnë kushte të jashtëzakonshme fizike dhe kimike në lëngje ndryshe të ftohta dhe krijojnë një mjedis të dobishëm për reaksionet kimike (të ashtuquajturat Sonokimia).

Kavitacioni i krijuar në mënyrë tejzanor mund të nxisë termolizën e substancave të tretura, si dhe formimin e radikalëve dhe reagentëve shumë reaktivë, si radikalet e lira, jonet hidroksid (•OH,) hidronium (H₃O+) etj., të cilat sigurojnë kushte të jashtëzakonshme reaktive në lëng në mënyrë që shpejtësia e reagimit të rritet ndjeshëm. Lëndët e ngurta si grimcat përshpejtohen nga avionët e lëngshëm dhe bluhen nga përplasja dhe gërryerja ndërpartikulare duke rritur sipërfaqen aktive dhe rrjedhimisht transferimin e masës.
Avantazhi i madh i kullimit me ultratinguj dhe rikuperimit të metaleve është kontrolli i saktë mbi parametrat e procesit si amplituda, presioni dhe temperatura. Këta parametra lejojnë që kushtet e reagimit të përshtaten saktësisht me mjedisin e procesit dhe rezultatin e synuar. Për më tepër, kullimi me ultratinguj heq edhe grimcat më të vogla metalike nga nënshtresa, duke ruajtur mikrostrukturat. Rikuperimi i përmirësuar i metaleve është për shkak të krijimit tejzanor të sipërfaqeve shumë reaktive, rritjes së shkallës së reagimit dhe përmirësimit të transportit masiv. Proceset e sonikimit mund të optimizohen duke ndikuar në çdo parametër dhe për këtë arsye janë jo vetëm shumë efektive, por edhe shumë efikase për energji.
Kontrolli i saktë i parametrave të tij dhe efikasiteti i energjisë e bëjnë kullimin tejzanor një teknikë të favorshme dhe të shkëlqyer – veçanërisht kur krahasohet me teknikat e ndërlikuara të kullimit me acid dhe kelimit.

Rikuperimi tejzanor i LiCoO₂ nga bateritë e shpenzuara litium-jon

Ultratingulli ndihmon kullimin reduktues dhe reshjet kimike, të cilat përdoren për të rikuperuar Li si Li₂CO₃ dhe Co si Co(OH)₂ nga mbeturinat e baterive litium-jon.
Zhang et al. (2014) raportojnë rimëkëmbjen e suksesshme të LiCoO₂ duke përdorur një reaktor tejzanor. për të përgatitur tretësirën fillestare prej 600 ml, vendosën 10 g LiCoO të pavlefshme.₂ pluhur në një gotë dhe shtohen 2.0mol/L tretësirë LiOH, të cilat janë përzier.
Përzierja u derdh në rrezatimin ultrasonik dhe pajisja e trazimit filloi, pajisja nxitëse u vendos në brendësi të enës së reaksionit. U nxeh në 120◦C, dhe më pas Pajisja me ultratinguj u caktua në 800 W dhe mënyra e veprimit me ultratinguj u vendos në ciklet e punës pulsuese prej 5 sekondash. AKTIV / 2 sek. FAKT. Rrezatimi me ultratinguj u aplikua për 6 orë, dhe më pas përzierja e reagimit u fto në temperaturën e dhomës. Mbetja e ngurtë u la disa herë me ujë të dejonizuar dhe u tha në 80◦C deri në peshë konstante. Mostra e marrë u mblodh për testim të mëvonshëm dhe prodhimin e baterive. Kapaciteti i karikimit në ciklin e parë është 134.2 mAh/g dhe kapaciteti i shkarkimit është 133.5 mAh/g. Efikasiteti i karikimit dhe shkarkimit për herë të parë ishte 99.5%. Pas 40 cikleve, kapaciteti i shkarkimit është ende 132.9 mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Shpëlarja me ultratinguj me acide organike si acidi citrik është jo vetëm efektive, por edhe miqësore me mjedisin. Hulumtimet zbuluan se kullimi i Co dhe Li është më efikas me acid citrik sesa me acidet inorganike H2SO4 dhe HCl. Më shumë se 96% Co dhe gati 100% Li u gjetën nga bateritë e harxhuara të litium-jonit. Fakti që acidet organike si acidi citrik dhe acidi acetik janë të lira dhe të biodegradueshme, kontribuon në avantazhet e mëtejshme ekonomike dhe mjedisore të sonikimit.

Ultratinguj industrialë me fuqi të lartë për shpëlarjen e metaleve nga bateritë e harxhuara

Hielscher Ultrasonics është furnizuesi juaj me përvojë të gjatë për sisteme ultrasonike shumë efikase dhe të besueshme, të cilat ofrojnë fuqinë e nevojshme për të kulluar metalet nga materialet e mbeturinave. Për të ripërpunuar bateritë li-jonike duke nxjerrë metale të tilla si kobalti, litiumi, nikeli dhe mangani, sistemet ultrasonike të fuqishme dhe të fuqishme janë thelbësore. Njësitë industriale Hielscher Ultrasonics si UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) dhe UIP16000 (16kW) janë sistemet më të fuqishme dhe më të fuqishme të ultrazërit me performancë të lartë në treg. Të gjitha njësitë tona industriale mund të funksionojnë vazhdimisht me amplituda shumë të larta deri në 200µm në funksionim 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotrode tejzanor të personalizuara. Fortësia e pajisjeve tejzanor Hielscher lejon funksionimin 24/7 në punë të rënda dhe në mjedise kërkuese. Hielscher gjithashtu furnizon sonotrode dhe reaktorë të veçantë për temperatura të larta, presione dhe lëngje gërryese. Kjo i bën ultrasonikët tanë industrialë më të përshtatshëm për teknikat e metalurgjisë nxjerrëse, p.sh. trajtimet hidrometalurgjike.

Tabela e mëposhtme ju jep një tregues të kapacitetit të përafërt të përpunimit të ultrasonikëve tanë:

---

---

Literatura/Referencat

• 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.