Ultraljud för återvinning av litiumjonbatterier
- Litiumjonbatterier som används i elbilar kommer just nu till massmarknaden och därmed måste återvinningskapaciteten utvecklas.
- Ultraljudsläckning är en effektiv, miljövänlig teknik för att återvinna metaller som Li, Mg, Co, Ni etc. från förbrukade Li-ion-batterier.
- Hielschers industriella ultraljudssystem för utlakning är pålitliga och robusta och kan enkelt integreras i befintliga återvinningsanläggningar.
Återvinning av litiumjonbatterier
Litium jon batterier används ofta i El bilar (EV), bärbara datorer och mobil telefoner. Detta innebär att förbrukade litium jon batterier är en aktuell utmaning när det gäller avfalls hantering och återvinning. Batterierna är en stor kostnad driv kraft för EVs, och deras förfogande är dyrt, alltför. Miljömässiga och ekonomiska aspekter driver på en sluten återvinnings slinga eftersom batteri avfallet innehåller värdefulla material och bidrar till att minska koldioxid utsläppen i tillverkningen av litium jon batterier.
Återvinning av Li-ion-batterier växer till en blomstrande industrisektor för att säkerställa framtida tillgång till sällsynta jordartsmetaller och andra batterikomponenter och att minska miljökostnaderna för gruvdrift.
Industriell ultraljudsläckning
Ultraljudsutlakning och metallutvinning kan tillämpas på återvinningsprocesser av litium koboltoxidbatterier (t.ex. från bärbara datorer, smartphones etc.) samt komplexa litium-nickel-mangan-koboltbatterier (t.ex. från elbilar).
Högkvalitativ ultraljud är väl känd för sin förmåga att bearbeta kemiska vätskor och uppslamningar för att förbättra massöverföring och initiera kemiska reaktioner.
De intensiva effekterna av maktens ultraljud baseras på fenomenet akustisk kavitation. Genom att koppla högkvalitativ ultraljud till vätskor / uppslamningar genererar de alternerande lågtrycks- och högtrycksvågorna i vätskor små vakuumbubblor. De små vakuumhålorna växer över olika lågtrycks- / högtryckscykler tills imploderar kraftigt. De kollapsande vakuumbubblorna kan betraktas som mikroreaktorer i vilka temperaturer upp till 5000 K, tryck på upp till 1000atm och uppvärmnings- och kylningshastigheter över 10-10 inträffa. Vidare genereras starka hydrodynamiska skjuvkrafter och flytande strålar med upp till 280 m / s hastighet. Dessa extrema förhållanden för akustisk kavitation skapar extraordinära fysiska och kemiska förhållanden i annars kalla vätskor och skapar en fördelaktig miljö för kemiska reaktioner (sonochemistry).
48kW ultraljuds processor
för krävande applikationer som utlakning av metaller
Ultraljudsutloggning av metaller från uttömt batteriförbrukning.
Den stora fördelen med ultraljudsläckning och metallåtervinning är den exakta kontrollen över processparametrarna, såsom amplitud, tryck och temperatur. Dessa parametrar tillåter att justera reaktionsbetingelserna exakt till processmediet och den riktade utsignalen. Vidare avlägsnar ultraljudsutlakning även de minsta metallpartiklarna från substratet, samtidigt som mikrostrukturer bevaras. Den förbättrade metallåtervinningen beror på ultraljudsupprättandet av högaktiva ytor, ökade reaktionshastigheter och förbättrad masstransport. Sonikeringsprocesser kan optimeras genom att påverka varje parameter och är därför inte bara mycket effektiva men också mycket energieffektiva.
Dess exakta parameterstyrning och energieffektivitet gör ultraljudsläckning den gynnsamma och utmärkta tekniken – speciellt i jämförelse med komplicerade syralakning och kelationstekniker.
Ultraljudsåterställning av LiCoO2 från förbrukade litium-jonbatterier
Ultraljud hjälper till reduktiv utlakning och kemisk utfällning, som används för att återvinna Li som Li2CO3 och Co som Co (OH)2 från litiumjonbatterier.
Zhang et al. (2014) rapportera om framgångsrik återhämtning av LiCoO2 med användning av en ultraljudsreaktor. för att förbereda utgångslösningen av 600 ml placerades de 10 g ogiltig LiCoO2 pulver i en bägare och tillsatt 2,0 mol / 1 LiOH-lösning, som blandades.
Blandningen hälldes i ultraljudsbestrålningen och omrörningsanordningen började, omrörningsanordningen placerades i reaktionsbehållarens inre. Det värmdes till 120◦C, och sedan ultraljudsanordning sattes till 800W och ultraljudsverkningssättet sattes till pulserande arbetscykler på 5 sekunder. ON / 2sec. AV. Ultraljudsbestrålningen applicerades i 6 h, och sedan kyldes reaktionsblandningen till rumstemperatur. Den fasta återstoden tvättades flera gånger med avjoniserat vatten och torkades vid 80 ° C tills konstant vikt. Det erhållna provet uppsamlades för efterföljande testning och batteriproduktion. Laddningskapaciteten i första cykeln är 134,2mAh / g och utmatningskapaciteten är 133,5mAh / g. Första gången laddning och utsläpp effektivitet var 99,5%. Efter 40 cykler är utmatningskapaciteten fortfarande 132,9mAh / g. (Zhang et al., 2014)
Använd LiCoO2-kristaller före (a) och efter (b) ultraljudsbehandling vid 120◦C i 6 timmar. källa: Zhang et al. 2014
Ultraljudsutlakning med organiska syror som citronsyra är inte bara effektiv men också miljövänlig. Forskning visade att utlakningen av Co och Li är effektivare med citronsyra än med de oorganiska syrorna H2SÅ4 och HCl. Mer än 96% Co och nästan 100% Li återvanns från förbrukade litiumjonbatterier. Det faktum att organiska syror, såsom citronsyra och ättiksyra är billiga och biologiskt nedbrytbara, bidrar till ytterligare ekonomiska och miljömässiga fördelar med sonikering.
Högkvalitativa industriella ultraljud
Hielscher Ultrasonics är din lång erfaren leverantör av högeffektiva och pålitliga ultraljudssystem, som ger den nödvändiga kraften att läcka metaller från avfall. För att reprocessera li-jonbatterier genom att extrahera metaller som kobolt, litium, nickel och mangan är kraftfulla och robusta ultraljudssystem väsentliga. Hielscher Ultrasonics’ industriella enheter som UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) och UIP16000 (16kW) är de mest kraftfulla och robusta högpresterande ultraljudssystemen på marknaden. Alla våra industriella enheter kan kontinuerligt köras med mycket höga amplituder på upp till 200 μm i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljuds sonotroder tillgängliga. Robustiteten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7-drift i tunga och krävande miljöer. Hielscher levererar speciella sonotroder och reaktorer för höga temperaturer, tryck och frätande vätskor. Detta gör våra industriella ultraljudsapparater mest lämpade för extraktiv metallurgiteknik, t.ex. hydrometallurgiska behandlingar.
Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera:
| batch Volym | Flödeshastighet | Rekommenderade Devices |
|---|---|---|
| 0.1 till 20L | 0.2 till 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 till 100 liter | 2 till 10 1 / min | UIP4000 |
| n.a. | 10 till 100 l / min | UIP16000 |
| n.a. | större | kluster av UIP16000 |
Fakta Värt att veta
Litiumjonbatterier
Litiumjonbatterier (LIB) är den kollektiva termen för (uppladdningsbara) batterier som erbjuder hög energidensitet och är ofta integrerade i konsumentelektronik som elektroniska bilar, hybridbilar, bärbara datorer, mobiltelefoner, iPod, etc. I jämförelse med Andra varianter av laddningsbara batterier med liknande storlek och kapacitet, LIBs är betydligt lättare.
Till skillnad från det engångs-litiumbaserade batteriet använder en LIB interkalierad litiumförening istället för metalliskt litium som sin elektrod. De viktigaste beståndsdelarna i ett litiumjonbatteri är dess elektroder – anod och katod – och elektrolyten.
De flesta celler delar gemensamma komponenter i form av elektrolyt, separator, folier och hölje. Den stora skillnaden mellan cellteknik är materialet som används som “aktiva material” såsom katod och anod. Grafit är det mest använda materialet som anod, medan katoden är tillverkad av skiktad LiMO2 (M = Mn, Co och Ni), spinel LiMn2den4, eller olivin LiFePO4. De elektrolytiska organiska flytande elektrolyterna (t.ex. LiPF6-salt upplöst i en blandning av organiska lösningsmedel, såsom etylkarbonat (EC), dimetylkarbonat (DMC), dietylkarbonat (DEC), etylmetylkarbonat (EMC) jonisk rörelse.
Beroende på de positiva (katod) och negativa (anod) elektrodmaterialen varierar energitätheten och spänningen hos LIB-varianter.
Vid användning i elfordon används ofta el-batteri (EVB) eller dragbatteri. Sådana dragbatterier används i gaffeltruckar, elektriska golfbilar, golvskrubber, elektriska motorcyklar, elbilar, lastbilar, skåpbilar och andra elektriska fordon.
Metallåtervinning från förbrukade Li-Ion-batterier
I jämförelse med andra typer av batterier som ofta innehåller bly eller kadmium innehåller Li-ion-batterier mindre giftiga metaller och anses därför vara miljövänliga. Men den stora mängd förbrukade Li-ion-batterier, som kommer att behöva användas som förbrukade batterier från elbilar, uppvisar ett avfallsproblem. Därför behövs en sluten återvinningsslinga av Li-ion-batterier. Från en ekonomisk synvinkel kan metallelement som järn, koppar, nickel, kobolt och litium återvinnas och återanvändas vid framställning av nya batterier. Återvinning skulle kunna förhindra en framtida brist också.
Även om batterier med högre nickelbelastningar kommer in på marknaden är det inte möjligt att producera batterier utan kobolt. Högre nickelhalt kommer till en kostnad: Med ett ökat nickelinnehåll minskar batteriets stabilitet och därigenom minskar dess livslängd och snabbladdningens förmåga.
Den växande efterfrågan på Li-ion-batterier kräver ökad återvinningskapacitet för släckta batterier.
Återvinningsprocess
Batterier av elektriska fordon som Tesla Roadster har en ungefärlig livslängd på 10 år.
Återvinning av uttömda Li-ion-batterier är en krävande process eftersom högspänning och farliga kemikalier är inblandade, vilket medför riskerna för termisk bortfall, elektriska stötar och utsläpp av farliga ämnen.
För att upprätta en återvinning med sluten slinga måste varje kemisk bindning och alla element separeras i sina individuella fraktioner. Emellertid är den energi som krävs för en sådan sluten slingåtervinning väldigt dyr. De mest värdefulla materialen för återvinning är metaller som Ni, Co, Cu, Li, etc. Eftersom dyra gruv och höga marknadspriser på metallkomponenter gör återvinningen ekonomiskt attraktiv.
Återvinningsprocessen för Li-ion-batterier börjar med demontering och urladdning av batterierna. Innan batteriet öppnas krävs en passivering för att inaktivera kemikalierna i batteriet. Passivation kan uppnås genom kryogen frysning eller kontrollerad oxidation. Beroende på batteriets storlek kan batterierna demonteras och demonteras ner till cellen. Efter demontering och krossning isoleras komponenterna genom flera metoder (t ex screening, siktning, handplockning, magnetisk, våt och ballistisk separation) för att avlägsna cellhöljen, aluminium, koppar och plast från elektrodpulvret. Separationen av elektrodmaterialen är nödvändig för nedströms processer, t ex hydrometallurgisk behandling.
pyrolys
För pyrolytisk bearbetning smältas strimlade batterier i en ugn där kalksten läggs till som slaggbildande medel.
Hydrotermiska processer
Hydrometallurgisk bearbetning baseras på syrereaktioner för att fälla salterna som metaller. Typiska hydrometallurgiska processer innefattar utlakning, utfällning, jonbyte, lösningsmedelsextraktion och elektrolys av vattenhaltiga lösningar.
Fördelen med hydrotermisk bearbetning är det höga utvinningsutbytet av + 95% Ni och Co som salter, + 90% Li kan utfällas och resten kan återvinnas upp till + 80%.
Speciellt kobolt är en kritisk komponent i litiumjonbatterier för hög energi- och kraftapplikationer.
Nuvarande hybridbilar, såsom Toyota Prius, använder nickelmetallhydridbatterier, som demonteras, urladdas och återvinns på liknande sätt som Li-ion-batterier.
Litteratur / Referenser
- 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.
Kraftfull sonication från labb och bänk till industriproduktion.