Lityum İyon Pillerin Geri Dönüşümü için Ultrasonik
- Elektrikli araçlarda kullanılan lityum iyon aküler artık kitle pazarına geliyor ve bununla birlikte geri dönüşüm kapasiteleri geliştirilmelidir.
- Ultrasonik liç, kullanılmış Li-ion bataryalardan Li, Mg, Co, Ni gibi metalleri geri kazanmak için verimli, çevre dostu bir tekniktir.
- Hielscher'ın liç uygulamalarına yönelik endüstriyel ultrasonik sistemleri güvenilir ve sağlamdır ve mevcut geri dönüşüm tesislerine kolayca entegre edilebilir.
Lityum İyon Pillerin Geri Dönüşümü
Lityum iyon piller, elektrikli araçlarda (EV), dizüstü bilgisayarlarda ve cep telefonlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu, harcanan Lityum-iyon piller atık yönetimi ve geri dönüşüm ile ilgili geçerli bir zorluk anlamına gelir. Piller EVs için büyük bir maliyet sürücüsü, ve onların bertaraf pahalı, çok. Pil israfı değerli malzemeler içerdiğinden ve Lityum iyon piller üretiminde karbon ayak izini azaltmaya yardımcı olduktan sonra çevre ve ekonomik yönleri kapalı bir geri dönüşüm döngüsü için itin.
Li-ion pillerin geri dönüşümü, ender toprak metalleri ve diğer batarya bileşenlerinin gelecekteki kullanılabilirliğini sağlamak ve madenciliğin çevresel maliyetlerini azaltmak için gelişen bir endüstri sektörüne doğru büyümektedir.
Endüstriyel Ultrasonik Liç
Lityum kobalt oksit pillerin (örn. Dizüstü bilgisayarlardan, akıllı telefonlardan vb.) Ve ayrıca lityum-nikel-manganez-kobalt pillerin (örneğin elektrikli araçlardan) geri dönüşüm işlemlerine ultrasonik liç ve metal ekstraksiyonu uygulanabilir.
Yüksek güçlü ultrason, kütle transferini iyileştirmek ve kimyasal reaksiyonları başlatmak için kimyasal sıvıları ve bulamaçları işleme kabiliyeti ile iyi bilinir.
Güç ultrasonikasyonunun yoğun etkileri, akustik kavitasyon olgusuna dayanmaktadır. Yüksek güçlü ultrasonun sıvılara / bulamaçlara bağlanmasıyla, sıvılardaki alternatif düşük basınçlı ve yüksek basınç dalgaları küçük vakum kabarcıkları oluşturur. Küçük vakum boşlukları, şiddetli bir şekilde yayılana kadar çeşitli düşük basınç / yüksek basınç döngüleri boyunca büyür. Çökmekte olan vakum kabarcıkları, 5000 K'ye kadar sıcaklıkların, 1000 dereceye kadar basınçların ve 10'un üzerinde ısıtma ve soğutma oranlarının olduğu mikroreaktörler olarak düşünülebilir.-10 meydana gelir. Ayrıca, güçlü hidrodinamik kesme kuvvetleri ve 280 m / s hıza kadar sıvı jetleri üretilir. Akustik kavitasyonun bu aşırı koşulları, aksi halde soğuk sıvılarda olağanüstü fiziksel ve kimyasal koşullar oluşturur ve kimyasal reaksiyonlar için faydalı bir ortam oluşturur (Sono-kimya).
48kW ultrasonik işlemci
metallerin liçlenmesi gibi zorlu uygulamalar için
Bitmiş pil atıklarından metallerin ultrasonik süzdürülmesi.
Ultrasonik liç ve metal geri kazanımının en büyük avantajı, genlik, basınç ve sıcaklık gibi proses parametrelerinin hassas kontrolüdür. Bu parametreler reaksiyon koşullarının tam olarak işlem ortamına ve hedeflenen çıkışa ayarlanmasına izin verir. Ayrıca, ultrasonik liç, mikroyapıları korurken, substrattan en küçük metal partikülleri bile çıkarır. Gelişmiş metal geri kazanımı, yüksek reaktif yüzeylerin, artan reaksiyon oranlarının ve geliştirilmiş kütle taşınmasının ultrasonik yaratılmasından kaynaklanır. Sonication süreçleri her bir parametreyi etkileyerek optimize edilebilir ve bu nedenle sadece çok etkili değil, aynı zamanda yüksek enerji verimliliği de vardır.
Tam parametre kontrolü ve enerji verimliliği, ultrasonik süzme işlemini uygun ve mükemmel bir teknik haline getirmektedir. – Özellikle karmaşık asit liç ve şelatlama teknikleri ile karşılaştırıldığında.
LiCoO'nun Ultrasonik Geri Kazanımı2 Harcanan Lityum İyon Pilleri
Ultrasonik Li Li olarak Li kurtarmak için kullanılan redüktif liç ve kimyasal yağış, yardımcı olur2eş3 ve Co olarak Co (OH)2 Atık lityum iyon pillerden.
Zhang ve diğ. (2014) LiCoO'nun başarılı bir şekilde toparlandığını bildirdi2 bir ultrasonik reaktör kullanılarak. 600mL'lik başlangıç çözeltisini hazırlamak için 10g geçersiz LiCoO yerleştirdiler.2 Bir beher içinde toz haline getirilmiş ve karıştırılmış 2.0mol / L LiOH çözeltisi eklenmiştir.
Karışım, ultrasonik ışınlama içine döküldü ve karıştırma cihazı başladı, karıştırma cihazı, reaksiyon kabının iç kısmına yerleştirildi. 120 ° C'ye ısıtıldı ve daha sonra Ultrasonik cihaz 800W'a ayarlandı ve ultrasonik hareket modu 5 saniyelik atımlı görev çevrimlerine ayarlandı. ON / 2sec. KAPALI. Ultrasonik ışınlama 6 saat uygulandı ve daha sonra reaksiyon karışımı oda sıcaklığına kadar soğutuldu. Katı kalıntı, birkaç kez deiyonize su ile yıkandı ve sabit ağırlığa kadar 80 ° C'de kurutuldu. Elde edilen numune müteakip test ve pil üretimi için toplanmıştır. İlk çevrimdeki şarj kapasitesi 134.2 mAh / g'dır ve deşarj kapasitesi 133,5 mAh / g'dır. İlk kez şarj ve deşarj verimliliği% 99.5 idi. 40 çevrimden sonra, boşaltma kapasitesi hala 132.9 mAh / g'dir. (Zhang ve ark. 2014)
(A) ve (b) ultrasonik tedaviden önce 6 saat 120◦C'de kullanılan LiCoO2 kristalleri. Kaynak: Zhang ve ark. 2014
Sitrik asit gibi organik asitlerle yapılan ultrasonik liç, sadece etkili değil aynı zamanda çevre dostudur. Araştırma, Co ve Li'nin sızmasının, sitrik asitle inorganik asitler H'den daha verimli olduğunu bulmuştur.2YANİ4 ve HCI. Kullanılmış lityum iyon pillerden% 96'dan fazla Co ve yaklaşık% 100 Li geri kazanılmıştır. Sitrik asit ve asetik asit gibi organik asitlerin ucuz ve biyolojik olarak parçalanabilir olması, sonikasyonun daha ekonomik ve çevresel avantajlarına katkıda bulunur.
Yüksek Güçlü Endüstriyel Ultrasonik
Hielscher Ultrasonics, atık malzemelerden metallerin ayrıştırılması için gerekli gücü sağlayan yüksek verimli ve güvenilir ultrasonik sistemler için uzun zamandır deneyimli tedarikçinizdir. Li-ion bataryaları kobalt, lityum, nikel ve manganez gibi metalleri ayıklayarak yeniden işlemek için güçlü ve sağlam ultrasonik sistemler gereklidir. Hielscher Ultrasonik’ gibi endüstriyel birimler UIP4000hdT (4 kW), UIP10000 (10 kW) ve UıP16000 (16kW) Piyasadaki en güçlü ve güçlü yüksek performanslı ultrason sistemleridir. Tüm endüstriyel ünitelerimiz, 7/24 operasyonda 200µm'ye kadar çok yüksek genliklerde sürekli olarak çalıştırılabilir. Daha yüksek genliklerde, özelleştirilmiş ultrasonik sonotroitler mevcuttur. Hielscher'ın ultrasonik ekipmanının sağlamlığı, ağır hizmette ve zorlu ortamlarda 7/24 çalışma sağlar. Hielscher, yüksek sıcaklık, basınç ve korozif sıvılar için de özel sonotrodler ve reaktörler sağlar. Bu, endüstriyel ultrasonik ürünlerimizi, örneğin hidrometalurjik tedaviler gibi ekstraktif metalurji teknikleri için en uygun hale getirir.
Aşağıdaki tablo size bizim ultrasonicators yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesidir:
| Numune Hacmi | Akış Oranı | Önerilen Cihaz |
|---|---|---|
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha büyük | grubu UIP16000 |
Bilinmesi Gereken Gerçekler
Lityum iyon piller
Lityum iyon aküler (LIB), yüksek enerji yoğunluğu sunan ve elektronik arabalar, hibrit otomobiller, dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları, iPod'lar, vb. Gibi tüketici elektroniğine sıklıkla entegre olan (şarj edilebilir) aküler için ortak bir terimdir. Benzer boyut ve kapasiteye sahip şarj edilebilir pillerin diğer çeşitleri, LIB'ler önemli ölçüde daha hafiftir.
Tek kullanımlık lityum birincil pilin aksine, bir LIB, elektrotu olarak metalik lityum yerine aralanmış lityum bileşiğini kullanır. Bir lityum-iyon pilin ana bileşenleri elektrotlarıdır – anot ve katot – ve elektrolit.
Hücrelerin çoğu, ortak bileşenleri elektrolit, ayırıcı, folyolar ve kılıflar açısından paylaşır. Hücre teknolojileri arasındaki en büyük fark, kullanılan “aktif maddeler” katot ve anot gibi. Grafit anot olarak en çok kullanılan materyal iken, katot katmanlı LiMO2 (M = Mn, Co ve Ni), spinel LiMn'den yapılmıştır.2O4veya olivin LiFePO4. Elektrolit organik sıvı elektrolitler (örn., Etilen karbonat (EC), dimetil karbonat (DMC), dietil karbonat (DEC), etil metil karbonat (EMC), vb.) Gibi organik çözücülerin bir karışımı içinde çözülmüş LiPF6 tuzu; iyonik hareket.
Pozitif (katot) ve negatif (anot) elektrot materyallerine bağlı olarak, LIB'lerin enerji yoğunluğu ve voltajı sırasıyla değişir.
Elektrikli araçlarda kullanıldığında, genellikle elektrikli araç aküsü (EVB) veya çekiş aküsü kullanılır. Bu tür çekiş aküleri forkliftlerde, elektrikli golf arabalarında, zemin süpürgelerinde, elektrikli motosikletlerde, elektrikli otomobillerde, kamyonlarda, minibüslerde ve diğer elektrikli araçlarda kullanılır.
Kullanılmış Li-Ion Pillerin Metal Geri Dönüşümü
Genellikle kurşun veya kadmiyum içeren diğer tip pillere kıyasla, Li-ion pilleri daha az toksik metal içerir ve bu nedenle çevre dostu olarak kabul edilir. Bununla birlikte, elektrikli araçlardan kullanılmış aküler olarak bertaraf edilmesi gereken büyük miktarda kullanılmış Li-ion pil, bir atık sorunu ortaya çıkarmaktadır. Bu nedenle, kapalı bir geri dönüşüm döngüsünün Li-ion pilleri gereklidir. Ekonomik açıdan bakıldığında, demir, bakır, nikel, kobalt ve lityum gibi metal elementler yeni pillerin üretiminde geri kazanılabilir ve tekrar kullanılabilir. Geri dönüşüm, gelecekteki bir kıtlığı da önleyebilir.
Daha yüksek nikel yüklemesi olan piller piyasaya girse de, kobalt içermeyen pillerin üretilmesi mümkün değildir. Daha yüksek nikel içeriği bir maliyete neden olur: Artan nikel içeriği ile bataryanın stabilitesi azalır ve böylece çevrim ömrü ve hızlı şarj etme yeteneği azaltılır.
Li-ion pilleri için artan talep, atık piller için artan geri dönüştürme kapasiteleri talep ediyor.
Geri dönüşüm süreci
Tesla Roadster gibi elektrikli araçların pilleri yaklaşık 10 yıllık bir ömre sahiptir.
Tükenmiş Li-ion pillerin geri dönüşümü, yüksek voltaj ve tehlikeli kimyasallar söz konusu olduğundan, ısıl çekilme, elektrik çarpması ve tehlikeli madde emisyonu riskleri ile birlikte, zorlu bir süreçtir.
Kapalı bir döngü geri dönüşümü kurmak için, her kimyasal bağ ve tüm elementler ayrı ayrı fraksiyonlarına ayrılmalıdır. Bununla birlikte, böyle bir kapalı döngü geri dönüşüm için gerekli olan enerji çok pahalıdır. Geri kazanım için en değerli materyaller, Ni, Co, Cu, Li, vb. Gibi metallerdir. Zira pahalı madencilik ve metal bileşenlerin yüksek piyasa fiyatları, geri dönüşümü ekonomik olarak cazip hale getirir.
Li-ion bataryaların geri dönüşümü, bataryaların sökülmesi ve boşaltılması ile başlar. Aküyü açmadan önce aküdeki kimyasalları pasif hale getirmek için pasivasyon gereklidir. Pasivasyon, kriyojenik donma veya kontrollü oksidasyon ile sağlanabilir. Pil boyutuna bağlı olarak, piller demonte edilebilir ve hücreye doğru demonte edilebilir. Sökme ve ezme işleminden sonra, bileşenler, hücre kılıflarını, alüminyum, bakır ve plastikleri elektrot tozundan çıkarmak için çeşitli yöntemlerle (ör. Tarama, eleme, elle toplama, manyetik, ıslak ve balistik ayırma) izole edilir. Elektrot malzemelerinin ayrılması, aşağı akış işlemleri için, örneğin hidrometalurjik işlem için gereklidir.
piroliz
Pirolitik işleme için, parçalanmış piller kireçtaşının bir cüruf oluşturucu madde olarak eklendiği bir fırında eritilir.
Hidrotermal Süreçler
Hidrometalurjik işlem, tuzları metaller olarak çökeltmek için asit reaksiyonlarına dayanır. Tipik hidrometalurjik işlemler, sulu çözeltilerin süzdürülmesi, çökeltilmesi, iyon değişimi, çözücü ekstraksiyonu ve elektrolizini içerir.
Hidrotermal işlemenin avantajı, Ni + Co'nun% 95'inin yüksek geri kazanım verimi, tuzlar,% + 90'ı ise çöktürülebilir ve geri kalanı% + 80'e kadar geri kazanılabilir.
Özellikle kobalt, yüksek enerji ve güç uygulamaları için lityum-iyon pil katotlarında kritik bir bileşendir.
Toyota Prius gibi mevcut hibrit otomobiller, Li-ion pillerle benzer şekilde sökülen, deşarj edilen ve geri dönüştürülen nikel metal hidrit pilleri kullanır.
Edebiyat referansları
- 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.
Laboratuar ve tezgah üstü endüstriyel üretimden güçlü sonikasyon.