Ултразвук за рециклажу литијум-јонских батерија

• Литијум-јонске батерије које се користе у електричним аутомобилима тек сада долазе на масовно тржиште и са њима се морају развијати капацитети за рециклажу.
• Ултразвучно лужење је ефикасна, еколошки прихватљива техника за обнављање метала као што су Ли, Мг, Цо, Ни итд. из истрошених Ли-јонских батерија.
• Хиелсцхер индустријски ултразвучни системи за апликације за испирање су поуздани и робусни и могу се лако интегрисати у постојећа постројења за рециклажу.

Рециклирање литијум-јонских батерија

Литијум-јонске батерије се широко користе у електричним возилима (ЕВ), лаптоповима и мобилним телефонима. То значи да су истрошене литијум-јонске батерије тренутни изазов у погледу управљања отпадом и рециклаже. Батерије су главни покретач трошкова за ЕВ, а њихово одлагање је такође скупо. Еколошки и економски аспекти подстичу затворену петљу за рециклажу јер отпад из батерија садржи вредне материјале и помаже да се смањи угљенични отисак производње литијум-јонских батерија.
Рециклирање литијум-јонских батерија расте у напредан индустријски сектор како би се осигурала будућа доступност метала ретких земаља и других компоненти батерија и смањили еколошки трошкови рударења.

Пирометалуршка и хидрометалуршка рециклажа у односу на рециклирање ултразвучних батерија

У наставку упоређујемо конвенционалне методе пирометалуршких и хидрометалуршких процеса са техником ултразвучног лужења у погледу предности и мана.

Недостаци конвенционалног рециклирања батерија

Традиционалне методе које се користе за рециклажу литијум-јонских батерија укључују пирометалуршке и хидрометалуршке процесе.
 
Пирометалуршке методе укључују процесе високе температуре као што су топљење или спаљивање. Батерије су подвргнуте екстремној топлоти, због чега органске компоненте изгоре, а преостале металне компоненте се топе и одвајају. Међутим, ове методе имају неке недостатке:

• Утицај на животну средину: Пирометалуршки процеси ослобађају штетне емисије и загађиваче у атмосферу, доприносећи загађењу ваздуха и потенцијално здравственим опасностима.
• Губитак материјала: Високотемпературни процеси могу довести до губитка вредних материјала и метала услед термичке деградације, смањујући укупну стопу опоравка.
• Енергетски интензиван: Ове методе обично захтевају значајан унос енергије, што повећава оперативне трошкове и утицај на животну средину.

 
Хидрометалуршке методе укључују хемијско лужење да би се раствориле компоненте батерије и извукли вредни метали. Иако је еколошки прихватљивија од пирометалуршких метода, хидрометалургија има своје недостатке:

• Хемијска употреба: За испирање су потребне јаке киселине или друге корозивне хемикалије, што изазива забринутост у погледу руковања хемикалијама, управљања отпадом и потенцијалне контаминације животне средине.
• Изазови селективности: Постизање селективног лужења жељених метала може бити тешко, што доводи до нижих стопа опоравка и потенцијалног губитка вредних ресурса.

 

Предности ултразвучног испирања батерија у односу на конвенционалне технике

У поређењу са пирометалуршким и хидрометалуршким техникама рециклаже, ултразвучна техника рециклирања батерија надмашује због различитих предности:

1. Повећана ефикасност: Ултразвучна соникација може убрзати разградњу материјала батерија, што резултира краћим временом обраде и већом укупном ефикасношћу.
2. Побољшане стопе опоравка: Контролисана примена ултразвучне кавитације побољшава разградњу компоненти батерије, повећавајући стопе опоравка вредних метала.
3. Еколошки: Ултразвучно рециклирање смањује ослањање на високе температуре и јаке хемикалије, минимизирајући утицај на животну средину и снижавајући емисије загађујућих материја.
4. Селективно испирање: Контролисана примена ултразвука омогућава циљано ометање одређених компоненти унутар батерије, ефикасно их раздвајајући. Пошто се различита једињења батерија која се могу рециклирати уклањају и растварају под одређеним ултразвучним интензитетом, оптимизовани параметри обраде омогућавају селективно испирање појединачних материјала. Ово олакшава ефикасно одвајање вредних метала и материјала.
5. Смањена потрошња енергије: У поређењу са обе, хидрометалуршким и посебно пирометалуршким методама, ултразвучна рециклажа је генерално енергетски ефикаснија, што доводи до нижих оперативних трошкова и смањеног угљичног отиска.
6. Скалабилност и флексибилност: Ултразвучни системи се могу лако повећати или смањити како би се прилагодили различитим величинама батерија и производним капацитетима. Поред тога, ултрасоникатори за рециклажу батерија могу се лако интегрисати у већ постојеће објекте за рециклажу батерија. Лако доступни на различитим скалама снаге и одговарајућим додацима као што су ултразвучне сонде и реактори са проточним ћелијама, ултрасоникатори могу да рукују компонентама батерија различитих величина и производних капацитета, обезбеђујући скалабилност и прилагодљивост у процесима рециклаже.
7. Синергистичка интеграција: Ултразвучно лужење се може интегрисати у постојеће хидрометалуршке линије за рециклажу батерија у циљу интензивирања и побољшања хидрометалуршког испирања вредних метала и материјала из истрошених Ли-јонских батерија.

Све у свему, рециклирање ултразвучних батерија обећава као еколошки прихватљивији, ефикаснији и селективнији метод у поређењу са традиционалним пирометалуршким и хидрометалуршким приступима.

 

Индустријско ултразвучно лужење за опоравак метала из истрошених батерија

Ултразвучно лужење и екстракција метала могу се применити на процесе рециклаже литијум-кобалт оксидних батерија (нпр. из лаптопова, паметних телефона, итд.), као и сложених литијум-никл-манган-кобалт батерија (нпр. из електричних возила).
Ултразвук велике снаге је добро познат по својој способности да обрађује хемијске течности и суспензије у циљу побољшања преноса масе и иницирања хемијских реакција.
Интензивни ефекти ултразвучне обраде засновани су на феномену акустичне кавитације. Спајањем ултразвука велике снаге у течности / кашу, наизменични таласи ниског и високог притиска у течностима стварају мале вакуумске мехуриће. Мале вакуумске шупљине расту током различитих циклуса ниског притиска / високог притиска све док не експлодирају. Вакумски мехурићи који се колабирају могу се сматрати микрореакторима у којима су температуре до 5000К, притисци до 1000атм и брзине загревања и хлађења изнад 10^-10 јављају. Штавише, стварају се јаке хидродинамичке силе смицања и млазови течности са брзином до 280м/с. Ови екстремни услови акустичне кавитације стварају изванредне физичке и хемијске услове у иначе хладним течностима и стварају повољно окружење за хемијске реакције (тзв. Соноцхемистри).

Ултразвучно генерисана кавитација може да изазове термолизу растворених материја, као и формирање високо реактивних радикала и реагенса, као што су слободни радикали, хидроксидни јони (•ОХ,) хидронијум (Х₃О+) итд., који обезбеђују изванредне реактивне услове у течности тако да се брзина реакције значајно повећава. Чврсте материје као што су честице се убрзавају млазовима течности и мељу се интерпартикуларним сударом и абразијом повећавајући активну површину и тиме пренос масе.
Велика предност ултразвучног лужења и опоравка метала је прецизна контрола параметара процеса као што су амплитуда, притисак и температура. Ови параметри омогућавају да се услови реакције подесе тачно на процесни медијум и циљани излаз. Штавише, ултразвучно лужење уклања чак и најситније металне честице са подлоге, уз очување микроструктуре. Побољшани опоравак метала је последица ултразвучног стварања високо реактивних површина, повећане брзине реакције и побољшаног транспорта масе. Процеси соникације се могу оптимизовати утицајем на сваки параметар и стога су не само веома ефикасни, већ и веома енергетски ефикасни.
Његова тачна контрола параметара и енергетска ефикасност чине ултразвучно испирање повољном и врхунском техником – посебно када се упореде са компликованим техникама лужења киселинама и хелацијама.

Ултразвучни опоравак ЛиЦоО₂ од истрошених литијум-јонских батерија

Ултразвучна обрада помаже редуктивном испирању и хемијском таложењу, који се користе за опоравак Ли као Ли₂ЦО₃ и Цо као Цо(ОХ)₂ од отпадних литијум-јонских батерија.
Зханг ет ал. (2014) извештавају о успешном опоравку ЛиЦоО₂ користећи ултразвучни реактор. да би се припремио почетни раствор од 600мЛ, ставили су 10г неисправног ЛиЦоО₂ прах у чашу и додато 2,0 мол/Л раствора ЛиОХ, који су помешани.
Смеша је сипана у ултразвучно зрачење и уређај за мешање је покренут, уређај за мешање је постављен у унутрашњост реакционог контејнера. Загрејан је на 120◦Ц, а затим се Ултразвучни уређај је подешен на 800В, а ултразвучни начин деловања је подешен на импулсне циклусе рада од 5 секунди. УКЉУЧЕНО / 2 сек. ВАН. Ултразвучно зрачење је примењено 6 х, а затим је реакциона смеша охлађена на собну температуру. Чврсти остатак је испран неколико пута дејонизованом водом и осушен на 80°Ц до константне тежине. Добијени узорак је сакупљен за накнадно тестирање и производњу батерија. Капацитет пуњења у првом циклусу је 134,2мАх/г, а капацитет пражњења је 133,5мАх/г. Ефикасност првог пуњења и пражњења била је 99,5%. Након 40 циклуса, капацитет пражњења је и даље 132,9 мАх/г. (Зханг ет ал. 2014)
 

 
Ултразвучно испирање органским киселинама као што је лимунска киселина није само ефикасно већ и еколошки прихватљиво. Истраживања су показала да је испирање Цо и Ли ефикасније са лимунском киселином него са неорганским киселинама Х2СО4 и ХЦл. Више од 96% Цо и скоро 100% Ли добијено је из истрошених литијум-јонских батерија. Чињеница да су органске киселине као што су лимунска киселина и сирћетна киселина јефтине и биоразградиве, доприноси даљим економским и еколошким предностима соникације.

Индустријски ултразвук велике снаге за испирање метала из истрошених батерија

Хиелсцхер Ултрасоницс је ваш дугогодишњи добављач за високо ефикасне и поуздане ултразвучне системе, који испоручују потребну снагу за испирање метала из отпадних материјала. Да би се литијум-јонске батерије поново обрадиле екстракцијом метала као што су кобалт, литијум, никл и манган, неопходни су снажни и робусни ултразвучни системи. Хиелсцхер Ултрасоницс индустријске јединице као што су УИП4000хдТ (4кВ), УИП6000хдТ (6кВ), УИП10000 (10кВ) и УИП16000 (16кВ) су најмоћнији и најснажнији ултразвучни системи високих перформанси на тржишту. Све наше индустријске јединице могу непрекидно да раде са веома високим амплитудама до 200 µм у раду 24/7. За још веће амплитуде, доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде. Робусност Хиелсцхер ултразвучне опреме омогућава 24/7 рад у тешким условима иу захтевним окружењима. Хиелсцхер такође снабдева специјалне сонотроде и реакторе за високе температуре, притиске и корозивне течности. Ово чини наше индустријске ултразвучне апарате најпогоднијим за технике екстракцијске металургије, нпр. хидрометалуршке третмане.

Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата:

---

---

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.