อัลตราโซนิกส์สําหรับการรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

• แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าเพิ่งเข้าสู่ตลาดมวลชน และด้วยเหตุนี้จึงต้องพัฒนาความสามารถในการรีไซเคิล
• การชะล้างอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมในการกู้คืนโลหะเช่น Li, Mg, Co, Ni เป็นต้น จากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้แล้ว
• ระบบอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมของ Hielscher สําหรับการใช้งานชะล้างมีความน่าเชื่อถือและทนทานและสามารถรวมเข้ากับโรงงานรีไซเคิลที่มีอยู่ได้อย่างง่ายดาย

การรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์ไฟฟ้า (EV) แล็ปท็อป และโทรศัพท์มือถือ ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้แล้วเป็นความท้าทายในปัจจุบันเกี่ยวกับการจัดการขยะและการรีไซเคิล แบตเตอรี่เป็นตัวขับเคลื่อนต้นทุนหลักสําหรับ EV และการกําจัดก็มีราคาแพงเช่นกัน ด้านสิ่งแวดล้อมและเศรษฐกิจผลักดันให้เกิดวงจรรีไซเคิลแบบปิด เนื่องจากขยะแบตเตอรี่มีวัสดุที่มีคุณค่าและช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
การรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกําลังเติบโตขึ้นเป็นภาคอุตสาหกรรมที่เฟื่องฟูเพื่อให้แน่ใจว่าโลหะหายากและส่วนประกอบแบตเตอรี่อื่น ๆ มีความพร้อมใช้งานในอนาคตและเพื่อลดต้นทุนด้านสิ่งแวดล้อมในการขุด

การรีไซเคิล Pyrometallurgical และ Hydrometallurgical เทียบกับการรีไซเคิลแบตเตอรี่อัลตราโซนิก

ด้านล่างนี้เราเปรียบเทียบวิธีการทั่วไปของกระบวนการไพโรโลหะวิทยาและอุทกโลหะวิทยากับเทคนิคการชะล้างอัลตราโซนิกเกี่ยวกับข้อดีและข้อเสีย

ข้อเสียของการรีไซเคิลแบตเตอรี่แบบเดิม

วิธีการแบบดั้งเดิมที่ใช้ในการรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ได้แก่ กระบวนการไพโรโลหะและไฮโดรโลหะวิทยา
 
วิธีการ Pyrometallurgical เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่มีอุณหภูมิสูง เช่น การถลุงหรือการเผา แบตเตอรี่ต้องเผชิญกับความร้อนสูง ทําให้ส่วนประกอบอินทรีย์ไหม้ และส่วนประกอบที่เป็นโลหะที่เหลือจะถูกหลอมละลายและแยกออกจากกัน อย่างไรก็ตาม วิธีการเหล่านี้มีข้อเสียบางประการ:

• ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม: กระบวนการไพโรมตาลูร์กปล่อยมลพิษและมลพิษที่เป็นอันตรายสู่ชั้นบรรยากาศ ก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศและอาจก่อให้เกิดอันตรายต่อสุขภาพ
• การสูญเสียวัสดุ: กระบวนการที่มีอุณหภูมิสูงอาจส่งผลให้วัสดุและโลหะมีค่าสูญหายเนื่องจากการเสื่อมสภาพทางความร้อน ซึ่งจะลดอัตราการกู้คืนโดยรวม
• ใช้พลังงานมาก: วิธีการเหล่านี้มักต้องใช้พลังงานจํานวนมาก ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนการดําเนินงานและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

 
วิธีการทางอุทกโลหะวิทยา เกี่ยวข้องกับการชะล้างสารเคมีเพื่อละลายส่วนประกอบของแบตเตอรี่และสกัดโลหะที่มีค่า แม้ว่าจะเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากกว่าวิธีการไพโรโลหะวิทยา แต่ไฮโดรโลหะวิทยาก็มีข้อเสียของตัวเอง:

• การใช้สารเคมี: กรดแก่หรือสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนอื่นๆ เป็นสิ่งจําเป็นสําหรับการชะล้าง ซึ่งทําให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับการจัดการสารเคมี การจัดการของเสีย และการปนเปื้อนต่อสิ่งแวดล้อมที่อาจเกิดขึ้น
• ความท้าทายในการคัดเลือก: การชะล้างโลหะที่ต้องการแบบเลือกอาจเป็นเรื่องยาก ซึ่งนําไปสู่อัตราการฟื้นตัวที่ลดลงและการสูญเสียทรัพยากรอันมีค่าที่อาจเกิดขึ้น

 

ข้อดีของการชะล้างแบตเตอรี่อัลตราโซนิกมากกว่าเทคนิคทั่วไป

เมื่อเทียบกับเทคนิคการรีไซเคิลไพโรโลหะและอุทกัลวิทยาเทคนิคการรีไซเคิลแบตเตอรี่อัลตราโซนิกจะแข่งขันได้ดีกว่าเนื่องจากข้อดีหลายประการ:

1. เพิ่มประสิทธิภาพ: อัลตราโซนิกสามารถเร่งการสลายตัวของวัสดุแบตเตอรี่ส่งผลให้เวลาในการประมวลผลสั้นลงและประสิทธิภาพโดยรวมที่สูงขึ้น
2. อัตราการฟื้นตัวที่ดีขึ้น: การประยุกต์ใช้โพรงอากาศอัลตราโซนิกที่ควบคุมช่วยเพิ่มการสลายตัวของส่วนประกอบแบตเตอรี่เพิ่มอัตราการกู้คืนของโลหะมีค่า
3. เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม: การรีไซเคิลอัลตราโซนิกช่วยลดการพึ่งพาอุณหภูมิสูงและสารเคมีที่รุนแรงลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและลดการปล่อยมลพิษ
4. การชะล้างแบบเลือก: การประยุกต์ใช้อัลตราซาวนด์แบบควบคุมช่วยให้สามารถหยุดชะงักของส่วนประกอบเฉพาะภายในแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากสารประกอบแบตเตอรี่รีไซเคิลที่แตกต่างกันจะถูกลบออกและละลายภายใต้ความเข้มของอัลตราโซนิกเฉพาะพารามิเตอร์การประมวลผลที่ปรับให้เหมาะสมจึงช่วยให้สามารถชะล้างวัสดุแต่ละชนิดได้ สิ่งนี้ช่วยอํานวยความสะดวกในการแยกโลหะและวัสดุที่มีคุณค่าอย่างมีประสิทธิภาพ
5. ลดการใช้พลังงาน: เมื่อเทียบกับทั้งสองวิธี hydrometallurgical และโดยเฉพาะอย่างยิ่งวิธีการ pyrometallurgical การรีไซเคิลอัลตราโซนิกโดยทั่วไปจะประหยัดพลังงานมากกว่าซึ่งนําไปสู่ต้นทุนการดําเนินงานที่ลดลงและลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
6. ความสามารถในการปรับขนาดและความยืดหยุ่น: ระบบอัลตราโซนิกสามารถปรับขนาดขึ้นหรือลงได้อย่างง่ายดายเพื่อรองรับขนาดแบตเตอรี่และกําลังการผลิตต่างๆ นอกจากนี้เครื่องอัลตราโซนิกสําหรับการรีไซเคิลแบตเตอรี่ยังสามารถรวมเข้ากับโรงงานรีไซเคิลแบตเตอรี่ที่มีอยู่แล้วได้อย่างง่ายดาย มีจําหน่ายในเครื่องชั่งพลังงานต่างๆและอุปกรณ์เสริมที่ตรงกันเช่นโพรบอัลตราโซนิกและเครื่องปฏิกรณ์เซลล์การไหลเครื่องอัลตราโซนิกสามารถจัดการกับส่วนประกอบแบตเตอรี่ขนาดต่างๆและกําลังการผลิตให้ความสามารถในการปรับขนาดและการปรับตัวในกระบวนการรีไซเคิล
7. การบูรณาการเสริมฤทธิ์กัน: การชะล้างอัลตราโซนิกสามารถรวมเข้ากับสายการรีไซเคิลแบตเตอรี่ไฮโดรโลหะที่มีอยู่เพื่อเพิ่มความเข้มข้นและปรับปรุงการชะล้างโลหะไฮโดรโลหะของโลหะมีค่าและวัสดุจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้แล้ว

โดยรวมแล้วการรีไซเคิลแบตเตอรี่อัลตราโซนิกแสดงให้เห็นถึงคํามั่นสัญญาว่าเป็นวิธีการที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมีประสิทธิภาพและคัดเลือกได้มากกว่าเมื่อเทียบกับวิธีการไพโรโลหะและอุทกโลหะแบบดั้งเดิม

 

การชะล้างอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมสําหรับการกู้คืนโลหะจากแบตเตอรี่ที่ใช้แล้ว

การชะล้างอัลตราโซนิกและการสกัดโลหะสามารถนําไปใช้กับกระบวนการรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (เช่น จากแล็ปท็อป สมาร์ทโฟน ฯลฯ) ตลอดจนแบตเตอรี่ลิเธียม - นิกเกิล - แมงกานีส - โคบอลต์ที่ซับซ้อน (เช่น จากรถยนต์ไฟฟ้า)
อัลตราซาวนด์กําลังสูงเป็นที่รู้จักกันดีในด้านความสามารถในการแปรรูปของเหลวเคมีและสารละลายเพื่อปรับปรุงการถ่ายเทมวลและเริ่มปฏิกิริยาเคมี
ผลกระทบที่รุนแรงของอัลตราโซนิกกําลังขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของโพรงอากาศอะคูสติก ด้วยการเชื่อมต่ออัลตราซาวนด์กําลังสูงเข้ากับของเหลว / สารละลายคลื่นความดันต่ําและความดันสูงสลับกันในของเหลวจะสร้างฟองอากาศสูญญากาศขนาดเล็ก ช่องว่างสูญญากาศขนาดเล็กจะเติบโตตามรอบความดันต่ํา / แรงดันสูงต่างๆ จนกระทั่งระเบิดอย่างรุนแรง ฟองสูญญากาศที่ยุบตัวถือได้ว่าเป็นเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กที่มีอุณหภูมิสูงถึง 5000K แรงดันสูงถึง 1000 atm และอัตราการให้ความร้อนและความเย็นสูงกว่า 10^-10 เกิดขึ้น นอกจากนี้ยังมีการสร้างแรงเฉือนอุทกพลศาสตร์ที่แข็งแกร่งและไอพ่นของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 280 ม./วินาที สภาวะที่รุนแรงของโพรงอากาศอะคูสติกเหล่านี้สร้างสภาวะทางกายภาพและเคมีที่ไม่ธรรมดาในของเหลวที่เย็นจัด และสร้างสภาพแวดล้อมที่เป็นประโยชน์สําหรับปฏิกิริยาเคมี (ที่เรียกว่า โซโนเคมี).

โพรงอากาศที่สร้างขึ้นด้วยอัลตราโซนิกสามารถกระตุ้นให้เกิดความร้อนของตัวถูกละลายตลอดจนการก่อตัวของอนุมูลและรีเอเจนต์ที่มีปฏิกิริยาสูงเช่นอนุมูลอิสระไอออนไฮดรอกไซด์ (•OH,) ไฮโดรเนียม (H₃O+) เป็นต้น ซึ่งให้สภาวะปฏิกิริยาพิเศษในของเหลว เพื่อให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสําคัญ ของแข็งเช่นอนุภาคจะถูกเร่งโดยไอพ่นของเหลวและถูกบดโดยการชนกันและการเสียดสีเพิ่มพื้นที่ผิวที่ใช้งานอยู่และด้วยเหตุนี้การถ่ายเทมวล
ข้อได้เปรียบที่ยอดเยี่ยมของการชะล้างอัลตราโซนิกและการกู้คืนโลหะคือการควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการอย่างแม่นยําเช่นแอมพลิจูดความดันและอุณหภูมิ พารามิเตอร์เหล่านี้ช่วยให้สามารถปรับสภาวะปฏิกิริยาได้อย่างถูกต้องกับตัวกลางในกระบวนการและผลผลิตเป้าหมาย นอกจากนี้การชะล้างด้วยอัลตราโซนิกจะขจัดอนุภาคโลหะที่เล็กที่สุดออกจากพื้นผิวในขณะที่รักษาโครงสร้างจุลภาคไว้ การกู้คืนโลหะที่เพิ่มขึ้นเกิดจากการสร้างอัลตราโซนิกของพื้นผิวที่มีปฏิกิริยาสูงอัตราปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้นและการขนส่งมวลที่ดีขึ้น กระบวนการ Sonication สามารถปรับให้เหมาะสมได้โดยมีอิทธิพลต่อแต่ละพารามิเตอร์ดังนั้นจึงไม่เพียง แต่มีประสิทธิภาพมาก แต่ยังประหยัดพลังงานอีกด้วย
การควบคุมพารามิเตอร์ที่แน่นอนและประสิทธิภาพการใช้พลังงานทําให้การชะล้างอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่ดีและยอดเยี่ยม – โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเทียบกับเทคนิคการชะล้างกรดและคีเลชั่นที่ซับซ้อน

การกู้คืนอัลตราโซนิกของ LiCoO₂ จากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้แล้ว

Ultrasonication ช่วยในการชะล้างแบบลดและการตกตะกอนทางเคมีซึ่งใช้ในการกู้คืน Li เป็น Li₂CO₃ และ Co เป็น Co(OH)₂ จากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเสีย
Zhang et al. (2014) รายงานการฟื้นตัวของ LiCoO ที่ประสบความสําเร็จ₂ ใช้เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิก ในการเตรียมสารละลายเริ่มต้น 600 มล. พวกเขาวาง LiCoO ที่ไม่ถูกต้อง 10 กรัม₂ ผงในบีกเกอร์และเติมสารละลาย LiOH 2.0mol/L ซึ่งผสมกัน
ส่วนผสมถูกเทลงในการฉายรังสีอัลตราโซนิกและอุปกรณ์กวนเริ่มทํางานอุปกรณ์กวนถูกวางไว้ที่ด้านในของภาชนะปฏิกิริยา มันถูกทําให้ร้อนถึง 120◦C จากนั้น อุปกรณ์อัลตราโซนิก ถูกตั้งค่าเป็น 800W และโหมดการทํางานอัลตราโซนิกถูกตั้งค่าเป็นรอบการทํางานแบบพัลซิ่ง 5 วินาที เปิด / 2 วินาที ปิด การฉายรังสีอัลตราโซนิกถูกนําไปใช้เป็นเวลา 6 ชั่วโมงจากนั้นส่วนผสมของปฏิกิริยาก็เย็นลงที่อุณหภูมิห้อง สารตกค้างของแข็งถูกล้างหลายครั้งด้วยน้ําปราศจากไอออนและเช็ดให้แห้งที่ 80◦C จนมีน้ําหนักคงที่ ตัวอย่างที่ได้รับถูกรวบรวมเพื่อการทดสอบและการผลิตแบตเตอรี่ในภายหลัง ความจุในการชาร์จในรอบแรกคือ 134.2mAh/g และความสามารถในการคายประจุคือ 133.5mAh/g ประสิทธิภาพการชาร์จและการคายประจุครั้งแรกคือ 99.5% หลังจากผ่านไป 40 รอบ ความสามารถในการคายประจุยังคงอยู่ที่ 132.9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
การชะล้างอัลตราโซนิกด้วยกรดอินทรีย์เช่นกรดซิตริกไม่เพียง แต่มีประสิทธิภาพ แต่ยังเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมอีกด้วย การวิจัยพบว่าการชะล้าง Co และ Li มีประสิทธิภาพมากกว่ากรดซิตริกมากกว่ากรดอนินทรีย์ H2SO4 และ HCl Co มากกว่า 96% และ Li เกือบ 100% ถูกกู้คืนจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้แล้ว ความจริงที่ว่ากรดอินทรีย์เช่นกรดซิตริกและกรดอะซิติกมีราคาไม่แพงและย่อยสลายได้ทางชีวภาพมีส่วนช่วยในข้อได้เปรียบทางเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อมเพิ่มเติมของ sonication

อัลตราโซนิกอุตสาหกรรมกําลังสูงสําหรับการชะล้างโลหะจากแบตเตอรี่ที่ใช้แล้ว

Hielscher Ultrasonics เป็นซัพพลายเออร์ที่มีประสบการณ์ยาวนานสําหรับระบบอัลตราโซนิกที่มีประสิทธิภาพสูงและเชื่อถือได้ซึ่งให้พลังงานที่จําเป็นในการชะล้างโลหะจากวัสดุเหลือใช้ ในการแปรรูปแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนใหม่โดยการสกัดโลหะเช่นโคบอลต์ลิเธียมนิกเกิลและแมงกานีสระบบอัลตราโซนิกที่ทรงพลังและทนทานเป็นสิ่งสําคัญ หน่วยอุตสาหกรรมอัลตราโซนิกของ Hielscher เช่น UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) และ UIP16000 (16kW) เป็นระบบอัลตราซาวนด์ประสิทธิภาพสูงที่ทรงพลังและแข็งแกร่งที่สุดในตลาด หน่วยอุตสาหกรรมทั้งหมดของเราสามารถทํางานได้อย่างต่อเนื่องด้วยแอมพลิจูดที่สูงมากถึง 200μm ในการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน สําหรับแอมพลิจูดที่สูงขึ้นมี sonotrodes อัลตราโซนิกแบบกําหนดเอง ความทนทานของอุปกรณ์อัลตราโซนิก Hielscher ช่วยให้สามารถทํางานได้ตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันในงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการสูง Hielscher จัดหาโซโนโทรดและเครื่องปฏิกรณ์พิเศษสําหรับอุณหภูมิสูงความดันและของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อนด้วย สิ่งนี้ทําให้เครื่องอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมของเราเหมาะที่สุดสําหรับเทคนิคโลหะวิทยาแบบสกัดเช่นการบําบัดด้วยอุทกโลหะวิทยา

ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

---

---

วรรณกรรม/อ้างอิง

• 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.