อัลตราโซนิกสำหรับการรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน

• แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าเพิ่งเริ่มเข้าสู่ตลาดผู้บริโภควงกว้าง จึงต้องพัฒนาขีดความสามารถในการรีไซเคิลควบคู่กันไป
• การชะละลายด้วยอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการกู้คืนโลหะ เช่น Li, Mg, Co, Ni เป็นต้น จากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ใช้แล้ว
• ระบบอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมของ Hielscher สำหรับงานชะละลายมีความน่าเชื่อถือและทนทาน และสามารถผสานเข้ากับโรงงานรีไซเคิลที่มีอยู่ได้อย่างง่ายดาย

การรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนใช้กันอย่างแพร่หลายในยานยนต์ไฟฟ้า (EV) แล็ปท็อป และโทรศัพท์มือถือ ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ใช้แล้วเป็นความท้าทายในปัจจุบันด้านการจัดการของเสียและการรีไซเคิล แบตเตอรี่เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้ต้นทุนของยานยนต์ไฟฟ้าสูงขึ้น และการกำจัดแบตเตอรี่ก็มีค่าใช้จ่ายสูงเช่นกัน ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมและเศรษฐกิจผลักดันให้เกิดการรีไซเคิลแบบวงจรปิด เนื่องจากของเสียจากแบตเตอรี่มีวัสดุที่มีมูลค่า และการรีไซเคิลช่วยลดรอยเท้าคาร์บอนของการผลิตแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน
การรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนกำลังเติบโตเป็นภาคอุตสาหกรรมที่เฟื่องฟู เพื่อให้มั่นใจว่าจะมีโลหะแรร์เอิร์ทและส่วนประกอบอื่น ๆ ของแบตเตอรี่พร้อมใช้ในอนาคต และเพื่อลดต้นทุนด้านสิ่งแวดล้อมจากการทำเหมือง

การรีไซเคิลด้วยกระบวนการโลหวิทยาความร้อนและโลหวิทยาสารละลายเทียบกับการรีไซเคิลแบตเตอรี่ด้วยอัลตราโซนิก

ด้านล่างนี้ เราเปรียบเทียบข้อดีและข้อเสียของวิธีดั้งเดิมที่ใช้กระบวนการโลหวิทยาความร้อนและโลหวิทยาสารละลายกับเทคนิคการชะละลายด้วยอัลตราโซนิก

ข้อเสียของการรีไซเคิลแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม

วิธีดั้งเดิมที่ใช้ในการรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ได้แก่ กระบวนการโลหวิทยาความร้อนและโลหวิทยาสารละลาย
 
วิธีโลหวิทยาความร้อน เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ใช้อุณหภูมิสูง เช่น การถลุงหรือการเผาทำลาย แบตเตอรี่ถูกให้ความร้อนสูงมาก ทำให้ส่วนประกอบอินทรีย์เผาไหม้หมดไป ส่วนประกอบโลหะที่เหลือจะถูกหลอมและแยกออก อย่างไรก็ตาม วิธีเหล่านี้มีข้อเสียบางประการ:

• ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม: กระบวนการโลหวิทยาความร้อนปล่อยสารที่เป็นอันตรายและสารมลพิษสู่บรรยากาศ ทำให้เกิดมลพิษทางอากาศและอาจก่อให้เกิดอันตรายต่อสุขภาพ
• การสูญเสียวัสดุ: กระบวนการที่ใช้อุณหภูมิสูงอาจทำให้สูญเสียวัสดุและโลหะที่มีมูลค่าเนื่องจากการเสื่อมสภาพด้วยความร้อน ส่งผลให้อัตราการกู้คืนโดยรวมลดลง
• การใช้พลังงานสูง: โดยทั่วไป วิธีเหล่านี้ต้องใช้พลังงานป้อนเข้าในปริมาณมาก ซึ่งเพิ่มต้นทุนการดำเนินงานและรอยเท้าทางสิ่งแวดล้อม

 
วิธีโลหวิทยาสารละลาย เกี่ยวข้องกับการชะละลายทางเคมีเพื่อละลายส่วนประกอบของแบตเตอรี่และสกัดโลหะที่มีมูลค่า แม้จะเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าวิธีโลหวิทยาความร้อน แต่โลหวิทยาสารละลายก็มีข้อเสียของตนเอง:

• การใช้สารเคมี: การชะละลายต้องใช้กรดแก่หรือสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนอื่น ๆ ซึ่งทำให้เกิดข้อกังวลเกี่ยวกับการจัดการสารเคมี การจัดการของเสีย และการปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมที่อาจเกิดขึ้น
• ความท้าทายในการเลือกชะละลาย: การชะละลายอย่างเลือกจำเพาะเพื่อให้ได้โลหะที่ต้องการอาจทำได้ยาก ส่งผลให้อัตราการกู้คืนลดลงและอาจสูญเสียทรัพยากรที่มีมูลค่า

 

ข้อดีของการชะละลายแบตเตอรี่ด้วยอัลตราโซนิกเหนือเทคนิคดั้งเดิม

เมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคการรีไซเคิลทั้งแบบโลหวิทยาความร้อนและโลหวิทยาสารละลาย เทคนิคการรีไซเคิลแบตเตอรี่ด้วยอัลตราโซนิกมีความเหนือกว่าด้วยข้อดีหลายประการ:

1. ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น: การใช้คลื่นอัลตราโซนิกสามารถเร่งการแตกตัวของวัสดุแบตเตอรี่ ส่งผลให้ระยะเวลาการประมวลผลสั้นลงและประสิทธิภาพโดยรวมสูงขึ้น
2. อัตราการกู้คืนที่ดีขึ้น: การใช้คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกอย่างมีการควบคุมช่วยเพิ่มการแตกตัวของส่วนประกอบแบตเตอรี่ ทำให้อัตราการกู้คืนโลหะที่มีมูลค่าเพิ่มขึ้น
3. ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม: การรีไซเคิลด้วยอัลตราโซนิกช่วยลดการพึ่งพาอุณหภูมิสูงและสารเคมีที่มีฤทธิ์รุนแรง ทำให้ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุดและลดการปล่อยสารมลพิษ
4. การชะละลายอย่างเลือกจำเพาะ: การใช้คลื่นอัลตราโซนิกอย่างมีการควบคุมช่วยให้ทำลายส่วนประกอบเฉพาะภายในแบตเตอรี่ได้อย่างตรงเป้าหมายและแยกออกได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากสารประกอบชนิดต่าง ๆ ในแบตเตอรี่ที่รีไซเคิลได้จะถูกกำจัดและละลายภายใต้ความเข้มของอัลตราโซนิกที่เฉพาะเจาะจง พารามิเตอร์การประมวลผลที่ปรับให้เหมาะสมจึงช่วยให้ชะละลายวัสดุแต่ละชนิดอย่างเลือกจำเพาะได้ ซึ่งเอื้อต่อการแยกโลหะและวัสดุที่มีมูลค่าอย่างมีประสิทธิภาพ
5. การใช้พลังงานที่ลดลง: เมื่อเปรียบเทียบกับทั้งวิธีโลหวิทยาสารละลาย และโดยเฉพาะอย่างยิ่งวิธีโลหวิทยาความร้อน โดยทั่วไปการรีไซเคิลด้วยอัลตราโซนิกมีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูงกว่า ทำให้ต้นทุนการดำเนินงานต่ำลงและรอยเท้าคาร์บอนลดลง
6. ความสามารถในการปรับขนาดและความยืดหยุ่น: ระบบอัลตราโซนิกสามารถเพิ่มหรือลดขนาดได้อย่างง่ายดายเพื่อรองรับแบตเตอรี่ขนาดต่าง ๆ และกำลังการผลิตที่หลากหลาย นอกจากนี้ เครื่องอัลตราโซนิกสำหรับการรีไซเคิลแบตเตอรี่ยังสามารถผสานเข้ากับสถานประกอบการรีไซเคิลแบตเตอรี่ที่มีอยู่ได้อย่างง่ายดาย เครื่องอัลตราโซนิกมีให้เลือกพร้อมใช้งานในระดับกำลังต่าง ๆ พร้อมอุปกรณ์เสริมที่เข้ากัน เช่น โพรบอัลตราโซนิกและเครื่องปฏิกรณ์เซลล์ไหล จึงสามารถประมวลผลส่วนประกอบแบตเตอรี่ขนาดต่าง ๆ และรองรับกำลังการผลิตที่หลากหลาย ทำให้กระบวนการรีไซเคิลสามารถปรับขนาดและปรับให้เหมาะสมได้
7. การผสานเพื่อเสริมประสิทธิภาพร่วมกัน: การชะละลายด้วยอัลตราโซนิกสามารถผสานเข้ากับสายการรีไซเคิลแบตเตอรี่ด้วยโลหวิทยาสารละลายที่มีอยู่ เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการและปรับปรุงการชะละลายด้วยโลหวิทยาสารละลายในการกู้คืนโลหะและวัสดุที่มีมูลค่าจากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ใช้แล้ว

โดยรวมแล้ว การรีไซเคิลแบตเตอรี่ด้วยอัลตราโซนิกมีแนวโน้มที่จะเป็นวิธีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า มีประสิทธิภาพมากกว่า และมีความจำเพาะมากกว่า เมื่อเทียบกับแนวทางโลหวิทยาความร้อนและโลหวิทยาสารละลายแบบดั้งเดิม

 

การชะละลายด้วยอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมเพื่อกู้คืนโลหะจากแบตเตอรี่ที่ใช้แล้ว

การชะละลายด้วยอัลตราโซนิกและการสกัดโลหะสามารถใช้กับกระบวนการรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเทียมโคบอลต์ออกไซด์ (เช่น จากแล็ปท็อป สมาร์ตโฟน เป็นต้น) รวมถึงแบตเตอรี่ลิเทียม–นิกเกิล–แมงกานีส–โคบอลต์ที่มีองค์ประกอบซับซ้อน (เช่น จากยานยนต์ไฟฟ้า)
คลื่นอัลตราโซนิกกำลังสูงเป็นที่รู้จักกันดีในด้านความสามารถในการประมวลผลของเหลวเคมีและสารแขวนลอยข้น เพื่อปรับปรุงการถ่ายเทมวลและเริ่มปฏิกิริยาเคมี
ผลที่รุนแรงของการใช้คลื่นอัลตราโซนิกกำลังสูงมีพื้นฐานมาจากปรากฏการณ์คาวิเทชันทางเสียง เมื่อถ่ายทอดพลังงานคลื่นอัลตราโซนิกกำลังสูงเข้าสู่ของเหลว / สารแขวนลอยข้น คลื่นความดันต่ำและความดันสูงที่สลับกันในของเหลวจะสร้างฟองสุญญากาศขนาดเล็ก ช่องว่างสุญญากาศขนาดเล็กเหล่านี้ขยายตัวผ่านหลายรอบของความดันต่ำ / ความดันสูง จนกระทั่งยุบตัวอย่างรุนแรง ฟองสุญญากาศที่ยุบตัวสามารถถือเป็นเครื่องปฏิกรณ์ขนาดจิ๋ว ซึ่งมีอุณหภูมิสูงถึง 5000K ความดันสูงถึง 1000atm และอัตราการให้ความร้อนและการทำให้เย็นสูงกว่า 10^-10 นอกจากนี้ ยังเกิดแรงเฉือนทางอุทกพลศาสตร์ที่รุนแรงและลำพุ่งของของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 280m/s สภาวะสุดขั้วเหล่านี้ของคาวิเทชันทางเสียงก่อให้เกิดสภาวะทางกายภาพและเคมีที่พิเศษอย่างยิ่งในของเหลวที่นอกบริเวณดังกล่าวยังคงเย็นอยู่ และสร้างสภาพแวดล้อมที่เอื้อต่อปฏิกิริยาเคมี (เรียกว่า โซโนเคมี).

คาวิเทชันที่เกิดจากอัลตราโซนิกสามารถเหนี่ยวนำให้ตัวถูกละลายสลายตัวด้วยความร้อน รวมถึงทำให้เกิดอนุมูลและสารทำปฏิกิริยาที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูง เช่น อนุมูลอิสระ ไอออนไฮดรอกไซด์ (•OH,) ไฮโดรเนียม (H₃O+) เป็นต้น ซึ่งสร้างสภาวะที่มีความไวต่อปฏิกิริยาเป็นพิเศษในของเหลว ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ของแข็ง เช่น อนุภาค จะถูกเร่งด้วยลำพุ่งของของเหลวและถูกบดด้วยการชนและการขัดสีระหว่างอนุภาค ทำให้พื้นที่ผิวที่ทำปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น และส่งผลให้การถ่ายเทมวลเพิ่มขึ้น
ข้อได้เปรียบที่สำคัญของการชะละลายและการกู้คืนโลหะด้วยอัลตราโซนิกคือการควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการ เช่น แอมพลิจูด ความดัน และอุณหภูมิ ได้อย่างแม่นยำ พารามิเตอร์เหล่านี้ช่วยให้ปรับสภาวะปฏิกิริยาให้ตรงกับตัวกลางของกระบวนการและผลลัพธ์ที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ นอกจากนี้ การชะละลายด้วยอัลตราโซนิกยังขจัดอนุภาคโลหะแม้แต่อนุภาคที่เล็กที่สุดออกจากวัสดุฐาน ขณะเดียวกันก็รักษาโครงสร้างจุลภาคไว้ การกู้คืนโลหะที่ดีขึ้นเป็นผลจากการที่อัลตราโซนิกสร้างพื้นผิวที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูง เพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา และปรับปรุงการถ่ายเทมวล กระบวนการใช้คลื่นอัลตราโซนิกสามารถปรับให้เหมาะสมได้โดยปรับพารามิเตอร์แต่ละตัว จึงไม่เพียงมีประสิทธิผลสูงมาก แต่ยังมีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูงด้วย
การควบคุมพารามิเตอร์อย่างแม่นยำและประสิทธิภาพด้านพลังงานทำให้การชะละลายด้วยอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่เหมาะสมและโดดเด่น – โดยเฉพาะเมื่อเทียบกับเทคนิคการชะละลายด้วยกรดและการคีเลตที่ซับซ้อน

การกู้คืน LiCoO₂ จากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ใช้แล้วด้วยอัลตราโซนิก

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยในการชะละลายแบบรีดักชันและการตกตะกอนทางเคมี ซึ่งใช้กู้คืน Li ในรูป Li₂CO₃ และ Co ในรูป Co(OH)₂ จากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่เป็นของเสีย
Zhang et al. (2014) รายงานความสำเร็จในการกู้คืน LiCoO₂ โดยใช้เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิก ในการเตรียมสารละลายตั้งต้นปริมาตร 600mL พวกเขาใส่ผงที่ใช้การไม่ได้ปริมาณ 10g ของ LiCoO₂ ลงในบีกเกอร์ แล้วเติมสารละลาย LiOH ความเข้มข้น 2.0mol/L และผสมเข้าด้วยกัน
ส่วนผสมถูกเทเข้าสู่บริเวณการฉายคลื่นอัลตราโซนิก และเริ่มเดินเครื่องกวน โดยวางเครื่องกวนไว้ภายในภาชนะปฏิกิริยา ส่วนผสมถูกให้ความร้อนถึง 120◦C จากนั้นจึงตั้งค่า อุปกรณ์อัลตราโซนิก ให้มีกำลัง 800W และตั้งโหมดการทำงานของอัลตราโซนิกเป็นรอบการทำงานแบบพัลส์ เปิด 5 วินาที / ปิด 2 วินาที ฉายคลื่นอัลตราโซนิกเป็นเวลา 6h แล้วปล่อยให้ส่วนผสมปฏิกิริยาเย็นลงถึงอุณหภูมิห้อง ล้างกากของแข็งหลายครั้งด้วยน้ำปราศจากไอออนและทำให้แห้งที่ 80◦C จนมีน้ำหนักคงที่ เก็บตัวอย่างที่ได้ไว้สำหรับการทดสอบและการผลิตแบตเตอรี่ในขั้นต่อไป ความจุการประจุในรอบแรกเท่ากับ 134.2mAh/g และความจุการคายประจุเท่ากับ 133.5mAh/g ประสิทธิภาพการประจุและการคายประจุครั้งแรกเท่ากับ 99.5% หลังจาก 40 รอบ ความจุการคายประจุยังคงเท่ากับ 132.9mAh/g (Zhang et al. 2014)
 

 
การชะละลายด้วยอัลตราโซนิกโดยใช้กรดอินทรีย์ เช่น กรดซิตริก ไม่เพียงมีประสิทธิผล แต่ยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมด้วย งานวิจัยพบว่าการชะละลาย Co และ Li ด้วยกรดซิตริกมีประสิทธิภาพมากกว่าการใช้กรดอนินทรีย์ H2SO4 และ HCl สามารถกู้คืน Co ได้มากกว่า 96% และ Li ได้เกือบ 100% จากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ใช้แล้ว การที่กรดอินทรีย์ เช่น กรดซิตริกและกรดแอซีติก มีราคาไม่แพงและย่อยสลายทางชีวภาพได้ ช่วยเพิ่มข้อได้เปรียบด้านเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อมของการใช้คลื่นอัลตราโซนิก

อัลตราโซนิกกำลังสูงระดับอุตสาหกรรมสำหรับการชะละลายโลหะจากแบตเตอรี่ที่ใช้แล้ว

Hielscher Ultrasonics เป็นผู้จัดหาระบบอัลตราโซนิกที่มีประสิทธิภาพสูงและเชื่อถือได้ให้แก่คุณด้วยประสบการณ์อันยาวนาน ระบบเหล่านี้ให้กำลังที่จำเป็นในการชะละลายโลหะจากวัสดุที่เป็นของเสีย การนำแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนกลับมาแปรรูปโดยสกัดโลหะ เช่น โคบอลต์ ลิเทียม นิกเกิล และแมงกานีส จำเป็นต้องใช้ระบบอัลตราโซนิกที่ทรงพลังและทนทาน เครื่องระดับอุตสาหกรรมของ Hielscher Ultrasonics เช่น UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) และ UIP16000 (16kW) เป็นระบบอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงที่ทรงพลังและทนทานที่สุดในตลาด เครื่องระดับอุตสาหกรรมของเราทุกรุ่นสามารถทำงานต่อเนื่องด้วยแอมพลิจูดที่สูงมากถึง 200µm ในการทำงานตลอด 24/7 สำหรับแอมพลิจูดที่สูงกว่านี้ มีโซโนโทรดอัลตราโซนิกที่ปรับแต่งตามความต้องการให้เลือกใช้ ความทนทานของอุปกรณ์อัลตราโซนิก Hielscher ช่วยให้ทำงานตลอด 24/7 ภายใต้ภาระงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดสูงได้ Hielscher ยังจัดหาโซโนโทรดและเครื่องปฏิกรณ์พิเศษสำหรับอุณหภูมิสูง ความดันสูง และของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อนด้วย คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เครื่องอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมของเราเหมาะสมที่สุดสำหรับเทคนิคโลหวิทยาสกัด เช่น การบำบัดด้วยโลหวิทยาสารละลาย

ตารางด้านล่างแสดงขีดความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

---

---

วรรณกรรม/เอกสารอ้างอิง

• 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.