Ултразвук за рециклажу литијум-јонских батерија

• Литијум-јонске батерије које се користе у електричним аутомобилима тек сада стижу на масовно тржиште, па се упоредо с тим морају развијати капацитети за рециклажу.
• Ултразвучно излуживање је ефикасна, еколошки прихватљива техника за издвајање метала као што су Li, Mg, Co, Ni итд. из истрошених литијум-јонских батерија.
• Индустријски ултразвучни системи Hielscher за примену у излуживању поуздани су и робусни и могу се лако интегрисати у постојећа постројења за рециклажу.

Рециклажа литијум-јонских батерија

Литијум-јонске батерије се широко користе у електричним возилима (EV), преносним рачунарима и мобилним телефонима. То значи да истрошене литијум-јонске батерије представљају актуелан изазов у погледу управљања отпадом и рециклаже. Батерије су један од главних чинилаца трошкова електричних возила, а њихово одлагање је такође скупо. Еколошки и економски аспекти подстичу успостављање затвореног циклуса рециклаже, јер отпад од батерија садржи вредне материјале и помаже у смањењу угљеничног отиска производње литијум-јонских батерија.
Рециклажа литијум-јонских батерија прераста у просперитетан индустријски сектор како би се обезбедила будућа доступност метала ретких земаља и других компонената батерија и смањили еколошки трошкови рударства.

Пирометалуршка и хидрометалуршка рециклажа у поређењу са ултразвучном рециклажом батерија

У наставку поредимо конвенционалне методе пирометалуршких и хидрометалуршких процеса са техником ултразвучног излуживања у погледу предности и недостатака.

Недостаци конвенционалне рециклаже батерија

Традиционалне методе које се користе за рециклажу литијум-јонских батерија обухватају пирометалуршке и хидрометалуршке процесе.
 
Пирометалуршке методе обухватају високотемпературне процесе као што су топљење или спаљивање. Батерије се излажу екстремној топлоти, услед чега органске компоненте сагоревају, а преостале металне компоненте се топе и раздвајају. Међутим, ове методе имају одређене недостатке:

• Утицај на животну средину: Пирометалуршки процеси испуштају штетне емисије и загађујуће материје у атмосферу, доприносећи загађењу ваздуха и потенцијално угрожавајући здравље.
• Губитак материјала: Високотемпературни процеси могу довести до губитка вредних материјала и метала услед термичке разградње, смањујући укупан степен издвајања.
• Велика потрошња енергије: Ове методе обично захтевају значајан унос енергије, што повећава оперативне трошкове и еколошки отисак.

 
Хидрометалуршке методе обухватају хемијско излуживање ради растварања компонената батерија и издвајања вредних метала. Иако је еколошки прихватљивија од пирометалуршких метода, хидрометалургија има сопствене недостатке:

• Употреба хемикалија: За излуживање су потребне јаке киселине или друге корозивне хемикалије, што изазива забринутост у вези са руковањем хемикалијама, управљањем отпадом и потенцијалним загађењем животне средине.
• Изазови у постизању селективности: Постизање селективног излуживања жељених метала може бити тешко, што доводи до нижих степена издвајања и потенцијалног губитка вредних ресурса.

 

Предности ултразвучног излуживања батерија у односу на конвенционалне технике

У поређењу са пирометалуршким и хидрометалуршким техникама рециклаже, техника ултразвучне рециклаже батерија надмашује обе захваљујући различитим предностима:

1. Повећана ефикасност: Ултразвучна обрада може убрзати разградњу материјала батерија, што доводи до краћег времена обраде и веће укупне ефикасности.
2. Већи степени издвајања: Контролисана примена ултразвучне кавитације побољшава разградњу компонената батерија, повећавајући степен издвајања вредних метала.
3. Еколошка прихватљивост: Ултразвучна рециклажа смањује ослањање на високе температуре и агресивне хемикалије, сводећи утицај на животну средину на минимум и смањујући емисије загађујућих материја.
4. Селективно излуживање: Контролисана примена ултразвука омогућава циљано разарање одређених компоненти унутар батерије, чиме се оне ефикасно раздвајају. Пошто се различита једињења из батерија која се могу рециклирати уклањају и растварају при одређеним интензитетима ултразвука, оптимизовани параметри обраде омогућавају селективно излуживање појединачних материјала. То олакшава ефикасно раздвајање вредних метала и материјала.
5. Смањена потрошња енергије: У поређењу са хидрометалуршким, а нарочито са пирометалуршким методама, ултразвучна рециклажа је генерално енергетски ефикаснија, што доводи до нижих оперативних трошкова и смањеног угљеничног отиска.
6. Скалабилност и флексибилност: Обим рада ултразвучних система може се лако повећати или смањити како би се прилагодио различитим величинама батерија и производним капацитетима. Поред тога, ултразвучни уређаји за рециклажу батерија могу се лако интегрисати у већ постојећа постројења за рециклажу батерија. Лако доступни у различитим нивоима снаге и са одговарајућом додатном опремом, као што су ултразвучне сонде и реактори са проточном ћелијом, ултразвучни уређаји могу обрађивати компоненте батерија различитих величина и при различитим производним капацитетима, обезбеђујући скалабилност и прилагодљивост у процесима рециклаже.
7. Синергијска интеграција: Ултразвучно излуживање може се интегрисати у постојеће хидрометалуршке линије за рециклажу батерија ради интензивирања и побољшања хидрометалуршког излуживања вредних метала и материјала из истрошених литијум-јонских батерија.

У целини, ултразвучна рециклажа батерија обећава као еколошки прихватљивија, ефикаснија и селективнија метода у поређењу са традиционалним пирометалуршким и хидрометалуршким приступима.

 

Индустријско ултразвучно излуживање за издвајање метала из истрошених батерија

Ултразвучно излуживање и екстракција метала могу се применити у процесима рециклаже батерија на бази литијум-кобалт-оксида (нпр. из лаптопова, паметних телефона итд.), као и сложених литијум-никл-манган-кобалтних батерија (нпр. из електричних возила).
Ултразвук велике снаге добро је познат по својој способности да обрађује хемијске течности и суспензије ради побољшања преноса масе и покретања хемијских реакција.
Интензивни ефекти ултразвучне обраде велике снаге заснивају се на појави акустичне кавитације. Увођењем ултразвука велике снаге у течности / суспензије, наизменични таласи ниског и високог притиска у течностима стварају мале вакуумске мехуриће. Мале вакуумске шупљине расту током више циклуса ниског / високог притиска, све док не имплодирају силовито. Вакуумски мехурићи који колабирају могу се сматрати микрореакторима у којима се температуре до 5000K, притисци до 1000atm и брзине загревања и хлађења изнад 10^-10 јављају. Поред тога, стварају се снажне хидродинамичке силе смицања и млазеви течности са брзином до 280m/s. Ови екстремни услови акустичне кавитације стварају изузетне физичке и хемијске услове у иначе хладним течностима и повољно окружење за хемијске реакције (такозвана сонохемија).

Ултразвучно генерисана кавитација може изазвати термолизу растворених супстанци, као и стварање веома реактивних радикала и реагенаса, као што су слободни радикали, хидроксидни јони (•OH,), хидронијум (H₃O+) итд., који обезбеђују изузетне услове за реакције у течности, тако да се брзина реакције знатно повећава. Чврсте материје, попут честица, убрзавају се млазевима течности и уситњавају међучестичним сударима и абразијом, чиме се повећава активна површина, а тиме и пренос масе.
Велика предност ултразвучног излуживања и издвајања метала јесте прецизна контрола процесних параметара као што су амплитуда, притисак и температура. Ови параметри омогућавају да се услови реакције прецизно прилагоде процесном медијуму и жељеном резултату. Осим тога, ултразвучно излуживање уклања чак и најситније честице метала са подлоге, уз очување микроструктура. Побољшано издвајање метала резултат је ултразвучног стварања високо реактивних површина, повећаних брзина реакције и побољшаног преноса масе. Процеси соникације могу се оптимизовати подешавањем сваког параметра и стога су не само веома делотворни већ и високо енергетски ефикасни.
Прецизна контрола параметара и енергетска ефикасност чине ултразвучно излуживање погодном и изузетно успешном техником – нарочито у поређењу са сложеним техникама киселинског излуживања и хелације.

Ултразвучно издвајање LiCoO₂ из истрошених литијум-јонских батерија

Ултразвучна обрада потпомаже редуктивно излуживање и хемијско таложење, који се користе за издвајање Li у облику Li₂CO₃ и Co у облику Co(OH)₂ из отпадних литијум-јонских батерија.
Zhang и сар. (2014) извештавају о успешном издвајању LiCoO₂ помоћу ултразвучног реактора. Да би припремили почетни раствор запремине 600mL, ставили су 10g неупотребљивог праха LiCoO₂ у лабораторијску чашу и додали раствор LiOH концентрације 2,0mol/L, а затим их помешали.
Смеша је сипана у зону ултразвучног озрачивања и покренута је мешалица, која је била постављена унутар реакционе посуде. Смеша је загрејана на 120◦C, а затим је ултразвучни уређај подешен на 800W, а режим ултразвучног рада подешен је на импулсне радне циклусе од 5 sec. УКЉУЧЕНО / 2sec. ИСКЉУЧЕНО. Ултразвучно озрачивање примењивано је током 6h, а затим се реакциона смеша охладила на собну температуру. Чврсти остатак је више пута испран дејонизованом водом и сушен на 80◦C до константне масе. Добијени узорак је прикупљен за накнадна испитивања и производњу батерија. Капацитет пуњења у првом циклусу износи 134,2mAh/g, а капацитет пражњења 133,5mAh/g. Ефикасност првог пуњења и пражњења била је 99,5%. После 40 циклуса, капацитет пражњења и даље износи 132,9mAh/g. (Zhang и сар. 2014)
 

 
Ултразвучно излуживање органским киселинама, као што је лимунска киселина, није само делотворно већ је и еколошки прихватљиво. Истраживање је показало да је излуживање Co и Li ефикасније са лимунском киселином него са неорганским киселинама H2SO4 и HCl. Из истрошених литијум-јонских батерија издвојено је више од 96% Co и скоро 100% Li. Чињеница да су органске киселине, попут лимунске и сирћетне киселине, јефтине и биоразградиве доприноси додатним економским и еколошким предностима соникације.

Индустријски ултразвук велике снаге за излуживање метала из истрошених батерија

Hielscher Ultrasonics је ваш добављач са дугогодишњим искуством у области високоефикасних и поузданих ултразвучних система који обезбеђују потребну снагу за лужење метала из отпадних материјала. За прераду литијум-јонских батерија издвајањем метала као што су кобалт, литијум, никл и манган неопходни су снажни и робусни ултразвучни системи. Индустријски уређаји компаније Hielscher Ultrasonics, као што су UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) и UIP16000 (16kW), најснажнији су и најробуснији ултразвучни системи високих перформанси на тржишту. Сви наши индустријски уређаји могу непрекидно да раде са веома високим амплитудама до 200µm у режиму рада 24/7. За још веће амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери. Робусност ултразвучне опреме Hielscher омогућава рад 24/7 под великим оптерећењем и у захтевним окружењима. Hielscher такође испоручује специјалне сонотроде и реакторе за високе температуре, високе притиске и корозивне течности. То наше индустријске ултразвучне уређаје чини најпогоднијим за поступке екстрактивне металургије, нпр. хидрометалуршку обраду.

Табела у наставку пружа увид у приближан капацитет обраде наших ултразвучних уређаја:

---

---

Литература/референце

• 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.