Lityum İyon Pillerin Geri Dönüşümü için Ultrasonik

• Elektrikli otomobillerde kullanılan lityum iyon piller yeni yeni kitlesel pazara geliyor ve bununla birlikte geri dönüşüm kapasitelerinin geliştirilmesi gerekiyor.
• Ultrasonik liç, kullanılmış Li-ion pillerden Li, Mg, Co, Ni vb. gibi metalleri geri kazanmak için verimli, çevre dostu bir tekniktir.
• Liç uygulamaları için Hielscher endüstriyel ultrasonik sistemler 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, kullanılmış lityum iyon pillerin atık yönetimi ve geri dönüşüm konusunda güncel bir zorluk olduğu anlamına gelir. Piller, EV'ler için önemli bir maliyet faktörüdür ve bunların atılması da pahalıdır. Çevresel ve ekonomik yönler, pil atığı değerli malzemeler içerdiğinden ve Lityum-iyon pil üretiminin karbon ayak izini azaltmaya yardımcı olduğundan, kapalı bir geri dönüşüm döngüsünü zorunlu kılar.
Li-ion pillerin geri dönüşümü, nadir toprak metallerinin ve diğer pil bileşenlerinin gelecekteki kullanılabilirliğini sağlamak ve madenciliğin çevresel maliyetlerini azaltmak için gelişen bir endüstri sektörü haline geliyor.

Pirometalurjik ve Hidrometalurjik Geri Dönüşüm ve Ultrasonik Pil Geri Dönüşümü

Aşağıda, geleneksel pirometalurjik ve hidrometalurjik işlem yöntemlerini, avantajlar ve dezavantajlar açısından ultrasonik liç tekniği ile karşılaştırıyoruz.

Konvansiyonel Pil Geri Dönüşümünün Dezavantajları

Lityum iyon pil geri dönüşümü için kullanılan geleneksel yöntemler arasında pirometalurjik ve hidrometalurjik işlemler bulunur.
 
Pirometalurjik yöntemler eritme veya yakma gibi yüksek sıcaklık işlemlerini içerir. Piller aşırı ısıya maruz kalarak organik bileşenlerin yanmasına neden olur ve kalan metalik bileşenler eritilir ve ayrılır. Bununla birlikte, bu yöntemlerin bazı dezavantajları vardır:

• Çevresel Etki: Pirometalurjik süreçler atmosfere zararlı emisyonlar ve kirleticiler salar, hava kirliliğine katkıda bulunur ve potansiyel olarak sağlık tehlikelerine neden olur.
• Malzeme kaybı: Yüksek sıcaklıktaki işlemler, termal bozunma nedeniyle değerli malzeme ve metallerin kaybına neden olarak genel geri kazanım oranını azaltabilir.
• Enerji Yoğun: Bu yöntemler tipik olarak önemli miktarda enerji girdisi gerektirir ve bu da operasyonel maliyetleri ve çevresel ayak izini artırır.

 
Hidrometalurjik yöntemler Pil bileşenlerini çözmek ve değerli metalleri çıkarmak için kimyasal sızıntı içerir. Pirometalurjik yöntemlerden daha çevre dostu olsa da, hidrometalurjinin kendi dezavantajları vardır:

• Kimyasal Kullanımı: Liç için güçlü asitlere veya diğer aşındırıcı kimyasallara ihtiyaç vardır, bu da kimyasal işleme, atık yönetimi ve potansiyel çevre kirliliği ile ilgili endişeleri artırır.
• Seçicilik Zorlukları: İstenen metallerin seçici olarak liçlenmesini sağlamak zor olabilir, bu da daha düşük geri kazanım oranlarına ve değerli kaynakların potansiyel kaybına yol açar.

 

Ultrasonik Pil Liçinin Konvansiyonel Tekniklere Göre Avantajları

Hem pirometalurjik hem de hidrometalurjik geri dönüşüm teknikleriyle karşılaştırıldığında, ultrasonik pil geri dönüşüm tekniği çeşitli avantajlar nedeniyle öne çıkmaktadır:

1. Gelişmiş Verimlilik: Ultrasonik sonikasyon, pil malzemelerinin bozulmasını hızlandırabilir, bu da daha kısa işlem süreleri ve daha yüksek genel verimlilik sağlar.
2. İyileştirilmiş Geri Kazanım Oranları: Ultrasonik kavitasyonun kontrollü uygulaması, pil bileşenlerinin parçalanmasını artırarak değerli metallerin geri kazanım oranlarını artırır.
3. Çevre dostu: Ultrasonik geri dönüşüm, yüksek sıcaklıklara ve sert kimyasallara olan bağımlılığı azaltır, çevresel etkiyi en aza indirir ve kirletici emisyonlarını azaltır.
4. Seçici Liç: Kontrollü ultrason uygulaması, pil içindeki belirli bileşenlerin hedefli bir şekilde bozulmasına izin vererek bunları verimli bir şekilde ayırır. Farklı geri dönüştürülebilir pil bileşikleri, belirli ultrasonik yoğunluklar altında çözülerek çıkarıldığından, optimize edilmiş işleme parametreleri, tek tek malzemelerin seçici bir şekilde liç yapılmasına izin verir. Bu, değerli metallerin ve malzemelerin verimli bir şekilde ayrılmasını kolaylaştırır.
5. Azaltılmış enerji tüketimi: Her ikisiyle karşılaştırıldığında, hidrometalurjik ve özellikle pirometalurjik yöntemlerle, ultrasonik geri dönüşüm genellikle daha enerji verimlidir, bu da daha düşük işletme maliyetlerine ve daha az karbon ayak izine yol açar.
6. Ölçeklenebilirlik ve Esneklik: Ultrasonik sistemler, çeşitli pil boyutlarına ve üretim kapasitelerine uyum sağlamak için kolayca yukarı veya aşağı ölçeklendirilebilir. Ek olarak, pil geri dönüşümü için ultrasonicators zaten mevcut pil geri dönüşüm tesislerine kolayca entegre edilebilir. Ultrasonik problar ve akış hücresi reaktörleri gibi çeşitli güç ölçeklerinde ve eşleşen aksesuarlarda kolayca bulunabilen ultrasonicators, pil bileşenlerini çeşitli boyutlarda ve üretim kapasitelerinde işleyebilir ve geri dönüşüm işlemlerinde ölçeklenebilirlik ve uyarlanabilirlik sağlar.
7. Sinerjik Entegrasyon: Ultrasonik liç, kullanılmış Li-ion pillerden değerli metallerin ve malzemelerin hidrometalurjik sızıntısını yoğunlaştırmak ve iyileştirmek için mevcut hidrometalurjik pil geri dönüşüm hatlarına entegre edilebilir.

Genel olarak, ultrasonik pil geri dönüşümü, geleneksel pirometalurjik ve hidrometalurjik yaklaşımlara kıyasla daha çevre dostu, verimli ve seçici bir yöntem olarak umut vaat ediyor.

 

Kullanılmış Pillerden Metal Geri Kazanımı için Endüstriyel Ultrasonik Liç

Ultrasonik liç ve metal ekstraksiyonu, lityum kobalt oksit pillerin (örneğin dizüstü bilgisayarlardan, akıllı telefonlardan vb.) ve karmaşık lityum-nikel-manganez-kobalt pillerin (örneğin elektrikli araçlardan) geri dönüşüm işlemlerine uygulanabilir.
Yüksek güçlü ultrason, kütle transferini iyileştirmek ve kimyasal reaksiyonları başlatmak için kimyasal sıvıları ve bulamaçları işleme kabiliyeti ile bilinir.
Güç ultrasonikasyonunun yoğun etkileri, akustik kavitasyon olgusuna dayanmaktadır. Yüksek güçlü ultrasonu sıvılara / bulamaçlara birleştirerek, sıvılardaki alternatif düşük basınç ve yüksek basınç dalgaları küçük vakum kabarcıkları oluşturur. Küçük vakum boşlukları, şiddetli bir şekilde patlayana kadar çeşitli düşük basınç / yüksek basınç döngüleri boyunca büyür. Çöken vakum kabarcıkları, 5000K'ya kadar sıcaklıkların, 1000atm'ye kadar basınçların ve 10'un üzerindeki ısıtma ve soğutma hızlarının bulunduğu mikro reaktörler olarak düşünülebilir^-10 olmak. Ayrıca, güçlü hidrodinamik kesme kuvvetleri ve 280m/s hıza kadar sıvı jetleri üretilir. Bu aşırı akustik kavitasyon koşulları, aksi takdirde soğuk sıvılarda olağanüstü fiziksel ve kimyasal koşullar yaratır ve kimyasal reaksiyonlar için faydalı bir ortam yaratır (sözde Sono-kimya).

Ultrasonik olarak üretilen kavitasyon, çözünen maddelerin termolizinin yanı sıra serbest radikaller, hidroksit iyonları (•OH,), hidronyum (H₃O+) vb., reaksiyon hızının önemli ölçüde artması için sıvıda olağanüstü reaktif koşullar sağlar. Parçacıklar gibi katılar, sıvı jetleri tarafından hızlandırılır ve aktif yüzey alanını ve dolayısıyla kütle transferini artıran türler arası çarpışma ve aşınma ile öğütülür.
Ultrasonik liç ve metal geri kazanımının en büyük avantajı, genlik, basınç ve sıcaklık gibi proses parametreleri üzerinde hassas kontroldür. Bu parametreler, reaksiyon koşullarının tam olarak proses ortamına ve hedeflenen çıktıya göre ayarlanmasına izin verir. Ayrıca, ultrasonik liç, mikro yapıları korurken alt tabakadan en küçük metal parçacıkları bile temizler. Gelişmiş metal geri kazanımı, yüksek reaktif yüzeylerin ultrasonik olarak oluşturulmasına, artan reaksiyon hızlarına ve gelişmiş kütle taşınmasına bağlıdır. Sonikasyon işlemleri her parametreyi etkileyerek optimize edilebilir ve bu nedenle sadece çok etkili değil, aynı zamanda yüksek enerji verimlidir.
Kesin parametre kontrolü ve enerji verimliliği, ultrasonik liçi uygun ve mükemmel bir teknik haline getirir – özellikle karmaşık asit liçi ve şelasyon teknikleriyle karşılaştırıldığında.

LiCoO'nun Ultrasonik Geri Kazanımı₂ Kullanılmış Lityum İyon Pillerden

Ultrasonikasyon, Li'yi Li olarak kurtarmak için kullanılan indirgeyici liç ve kimyasal yağışa yardımcı olur₂CO (Türkçe)₃ ve Co(OH) olarak Co₂ atık lityum iyon pillerden.
Zhang ve ark. (2014) LiCoO'nun başarılı bir şekilde geri kazanıldığını bildiriyor₂ ultrasonik bir reaktör kullanarak. 600 mL'lik başlangıç çözeltisini hazırlamak için 10 g geçersiz LiCoO yerleştirdiler₂ bir beherde toz haline getirildi ve karıştırılan 2.0 mol / L LiOH çözeltisi eklendi.
Karışım ultrasonik ışınlamaya döküldü ve karıştırma cihazı başlatıldı, karıştırma cihazı reaksiyon kabının iç kısmına yerleştirildi. 120 ° C'ye ısıtıldı ve ardından Ultrasonik cihaz 800W'a ayarlandı ve ultrasonik etki modu 5 saniye AÇIK / 2 saniye darbeli görev döngülerine ayarlandı. Ultrasonik ışınlama 6 saat boyunca uygulandı ve daha sonra reaksiyon karışımı oda sıcaklığına soğutuldu. Katı kalıntı birkaç kez deiyonize su ile yıkandı ve sabit ağırlığa kadar 80 ° C'de kurutuldu. Elde edilen numune, daha sonraki testler ve pil üretimi için toplandı. İlk çevrimdeki şarj kapasitesi 134.2mAh/g ve deşarj kapasitesi 133.5mAh/g'dir. İlk kez şarj ve deşarj verimliliği �,5 idi. 40 döngüden sonra, deşarj kapasitesi hala 132.9mAh / g'dır (Zhang ve ark. 2014)
 

 
Sitrik asit gibi organik asitlerle ultrasonik liç sadece etkili değil, aynı zamanda çevre dostudur. Araştırmalar, Co ve Li'nin liçinin sitrik asit ile inorganik asitler H2SO4 ve HCl'den daha verimli olduğunu buldu. Kullanılmış lityum iyon pillerden �'dan fazla Co ve neredeyse 0 Li geri kazanıldı. Sitrik asit ve asetik asit gibi organik asitlerin ucuz ve biyolojik olarak parçalanabilir olması, sonikasyonun daha ekonomik ve çevresel avantajlarına katkıda bulunur.

Kullanılmış Pillerden Metal Liçi için Yüksek Güçlü Endüstriyel Ultrasonikler

Hielscher Ultrasonics, atık malzemelerden metalleri süzmek için gerekli gücü sağlayan yüksek verimli ve güvenilir ultrasonik sistemler için uzun süredir deneyimli tedarikçinizdir. Kobalt, lityum, nikel ve manganez gibi metalleri çıkararak li-ion pilleri yeniden işlemek için güçlü ve sağlam ultrasonik sistemler gereklidir. UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) ve UIP16000 (16kW) gibi Hielscher Ultrasonik endüstriyel birimler piyasadaki en güçlü ve sağlam yüksek performanslı ultrason sistemleridir. Tüm endüstriyel ünitelerimiz 7/24 çalışmada 200μm'ye kadar çok yüksek genliklerle sürekli olarak çalıştırılabilir. Daha da yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodlar mevcuttur. Hielscher ultrasonik ekipmanın sağlamlığı, ağır hizmet ve zorlu ortamlarda 7/24 çalışmaya izin verir. Hielscher, yüksek sıcaklıklar, basınçlar ve aşındırıcı sıvılar için de özel sonotrodlar ve reaktörler sağlar. Bu, endüstriyel ultrasonicators'ımızı ekstraktif metalurji teknikleri, örneğin hidrometalurjik tedaviler için en uygun hale getirir.

Aşağıdaki tablo size ultrasonicators'ımızın yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini verir:

---

---

Literatür/Referanslar

• 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.