Ультразвукові засоби для переробки літій-іонних акумуляторів

• Літій-іонні акумулятори, які використовуються в електромобілях, тільки зараз виходять на масовий ринок, а разом з ними необхідно розвивати потужності з переробки.
• Ультразвукове вилуговування є ефективним, екологічно чистим методом відновлення металів, таких як Li, Mg, Co, Ni тощо, з відпрацьованих літій-іонних акумуляторів.
• Промислові ультразвукові системи Hielscher для вилуговування є надійними та надійними і можуть бути легко інтегровані в існуючі заводи з переробки відходів.

Переробка літій-іонних акумуляторів

Літій-іонні акумулятори широко використовуються в електромобілях (EV), ноутбуках і мобільних телефонах. Це означає, що відпрацьовані літій-іонні акумулятори є актуальною проблемою щодо поводження з відходами та їх переробки. Батареї є основним фактором витрат для електромобілів, і їх утилізація також дорога. Екологічні та економічні аспекти підштовхують до замкнутого циклу переробки, оскільки відходи батарей містять цінні матеріали та допомагають зменшити вуглецевий слід під час виробництва літій-іонних акумуляторів.
Переробка літій-іонних акумуляторів стає все більш процвітаючим сектором промисловості, щоб забезпечити майбутню доступність рідкоземельних металів та інших компонентів акумуляторів, а також зменшити екологічні витрати на видобуток корисних копалин.

Пірометалургійний та гідрометалургійний ресайклінг vs ультразвуковий ресайклінг

Нижче ми порівняємо традиційні методи пірометалургійних і гідрометалургійних процесів з технікою ультразвукового вилуговування щодо переваг і недоліків.

Недоліки звичайної переробки батарей

Традиційні методи, які використовуються для переробки літій-іонних акумуляторів, включають пірометалургійні та гідрометалургійні процеси.
 
Пірометалургійні методи передбачають високотемпературні процеси, такі як виплавка або спалювання. Батареї піддаються сильному нагріванню, що призводить до згоряння органічних компонентів, а решта металевих компонентів розплавляється і відокремлюється. Однак у цих методів є і деякі недоліки:

• Вплив на навколишнє середовище: Пірометалургійні процеси вивільняють шкідливі викиди та забруднюючі речовини в атмосферу, сприяючи забрудненню повітря та потенційно спричиняючи небезпеку для здоров'я.
• Втрати матеріалів: Високотемпературні процеси можуть призвести до втрати цінних матеріалів і металів через термічну деградацію, знижуючи загальну швидкість відновлення.
• Енергоємні: Ці методи зазвичай вимагають значних витрат енергії, що збільшує експлуатаційні витрати та вплив на навколишнє середовище.

 
Гідрометалургійні методи передбачають хімічне вилуговування для розчинення компонентів акумулятора та вилучення цінних металів. Незважаючи на те, що гідрометалургія є більш екологічною, ніж пірометалургійні методи, вона має свої недоліки:

• Використання хімічних речовин: Для вилуговування необхідні сильні кислоти або інші корозійні хімікати, що викликає занепокоєння щодо поводження з хімікатами, поводження з відходами та потенційного забруднення навколишнього середовища.
• Проблеми вибірковості: Досягнення селективного вилуговування бажаних металів може бути складним, що призводить до зниження рівня відновлення та потенційної втрати цінних ресурсів.

 

Переваги ультразвукового вилуговування батареї перед звичайними методами

Якщо порівнювати як з пірометалургійними, так і з гідрометалургійними методами переробки, ультразвукова техніка переробки батарей конкурує завдяки різним перевагам:

1. Підвищена ефективність: Ультразвуковий звук може прискорити руйнування матеріалів акумулятора, що призводить до скорочення часу обробки та вищої загальної ефективності.
2. Покращені показники відновлення: Контрольоване застосування ультразвукової кавітації підсилює розпад компонентів акумулятора, збільшуючи швидкість відновлення цінних металів.
3. Екологічно чисті: Ультразвукова переробка зменшує залежність від високих температур і агресивних хімікатів, мінімізуючи вплив на навколишнє середовище та знижуючи викиди забруднюючих речовин.
4. Селективне вилуговування: Контрольоване застосування ультразвуку дозволяє цілеспрямовано порушувати певні компоненти в батареї, ефективно розділяючи їх. Оскільки різні сполуки акумуляторів, що підлягають вторинній переробці, видаляються розчиненими при певній інтенсивності ультразвуку, оптимізовані параметри обробки дозволяють проводити вибіркове вилуговування окремих матеріалів. Це сприяє ефективному розділенню цінних металів і матеріалів.
5. Знижене споживання енергії: У порівнянні з обома гідрометалургійними і особливо з пірометалургійними методами, ультразвукова переробка, як правило, є більш енергоефективною, що призводить до зниження експлуатаційних витрат і зменшення вуглецевого сліду.
6. Масштабованість і гнучкість: Ультразвукові системи можна легко масштабувати в більшу або меншу сторону, щоб пристосуватися до різних розмірів батарей і виробничих потужностей. Крім того, ультразвукові пристрої для переробки батарей можна легко інтегрувати в уже існуючі підприємства з переробки батарей. Легко доступні в різних масштабах потужності та відповідних аксесуарах, таких як ультразвукові зонди та реактори з проточними елементами, ультразвукові пристрої можуть працювати з компонентами батарей різних розмірів і виробничих потужностей, забезпечуючи масштабованість і адаптивність у процесах переробки.
7. Синергетична інтеграція: Ультразвукове вилуговування може бути інтегроване в існуючі гідрометалургійні лінії переробки акумуляторів з метою інтенсифікації та вдосконалення гідрометалургійного вилуговування цінних металів і матеріалів з відпрацьованих літій-іонних акумуляторів.

В цілому, ультразвукова переробка батарей є перспективною як більш екологічний, ефективний і вибірковий метод в порівнянні з традиційними пірометалургійними і гідрометалургійними підходами.

 

Промислове ультразвукове вилуговування для відновлення металу з відпрацьованих батарей

Ультразвукове вилуговування та екстракція металу можуть бути застосовані для процесів переробки літій-кобальт-оксидних акумуляторів (наприклад, з ноутбуків, смартфонів тощо), а також складних літій-нікель-марганцево-кобальтових акумуляторів (наприклад, з електромобілів).
Ультразвук високої потужності добре відомий своєю здатністю обробляти хімічні рідини та суспензії з метою покращення масообміну та ініціювання хімічних реакцій.
Інтенсивні ефекти енергетичного ультразвуку засновані на явищі акустичної кавітації. Завдяки з'єднанню ультразвуку високої потужності з рідинами / суспензіями, чергування хвиль низького та високого тиску в рідинах утворює невеликі вакуумні бульбашки. Маленькі вакуумні порожнечі ростуть протягом різних циклів низького / високого тиску, поки не вибухнуть з силою. Вакуумні бульбашки, що руйнуються, можна розглядати як мікрореактори, в яких температура до 5000К, тиск до 1000атм, а швидкість нагріву та охолодження вище 10^-10 Відбуваються. Крім того, утворюються сильні гідродинамічні зсувні сили та струмені рідини зі швидкістю до 280 м/с. Ці екстремальні умови акустичної кавітації створюють надзвичайні фізичні та хімічні умови в холодних рідинах і створюють сприятливе середовище для хімічних реакцій (так званих Сонохімія).

Ультразвукова кавітація може викликати термоліз розчинених речовин, а також утворення високореакційноздатних радикалів і реагентів, таких як вільні радикали, гідроксид-іони (•OH,), гідроній (H₃O+) і т. д., які забезпечують надзвичайні реактивні умови в рідині так, що швидкість реакції значно збільшується. Тверді речовини, такі як частинки, прискорюються струменями рідини і подрібнюються шляхом міжспецифічного зіткнення і стирання, збільшуючи активну площу поверхні і тим самим переносячи масу.
Великою перевагою ультразвукового вилуговування та відновлення металу є точний контроль параметрів процесу, таких як амплітуда, тиск та температура. Ці параметри дозволяють точно підлаштовувати умови реакції під технологічне середовище і цільовий вихід. Крім того, ультразвукове вилуговування видаляє навіть найдрібніші металеві частинки з субстрату, зберігаючи при цьому мікроструктури. Посилене відновлення металу відбувається завдяки ультразвуковому створенню високореактивних поверхонь, підвищенню швидкості реакції та покращеному перенесенню маси. Процеси ультразвуку можуть бути оптимізовані шляхом впливу на кожен параметр і тому є не тільки дуже ефективними, але й високоенергоефективними.
Точний контроль параметрів та енергоефективність роблять ультразвукове вилуговування сприятливою та відмінною технікою – Особливо в порівнянні зі складними методами кислотного вилуговування та хелатування.

Ультразвукове відновлення LiCoO₂ від відпрацьованих літій-іонних акумуляторів

Ультразвук сприяє відновленню вилуговування та хімічного осадження, які використовуються для відновлення Li як Li₂БО₃ і Ко як Ко (ОН)₂ з відпрацьованих літій-іонних акумуляторів.
Zhang et al. (2014) повідомляють про успішне відновлення LiCoO₂ за допомогою ультразвукового реактора. для приготування вихідного розчину об'ємом 600 мл вони помістили 10 г недійсного LiCoO₂ порошку в мензурці та додали 2,0 моль/л розчину LiOH, які змішали.
Суміш заливали в ультразвукове опромінення і запускали перемішуючий пристрій, перемішуючий пристрій поміщали в внутрішню частину реакційної ємності. Його нагріли до 120◦С, а потім Ультразвуковий апарат було встановлено на 800 Вт, а ультразвуковий режим дії був встановлений на імпульсні робочі цикли 5 сек. ON / 2sec. OFF. Ультразвукове опромінення застосовувалося протягом 6 год, а потім реакційна суміш охолоджувалася до кімнатної температури. Твердий залишок кілька разів промивали деіонізованою водою і сушили при температурі 80◦С до постійної ваги. Отриманий зразок був зібраний для подальших випробувань і виробництва акумуляторів. Ємність заряду в першому циклі становить 134,2 мАг/г, а ємність розряду – 133,5 мАг/г. Ефективність першого заряду та розряду склала 99,5%. Після 40 циклів ємність розряду все ще становить 132,9 мА·год/г. (Zhang et al. 2014)
 

 
Ультразвукове вилуговування органічними кислотами, такими як лимонна кислота, не тільки ефективне, але й екологічно чисте. Дослідження показали, що вилуговування Co і Li більш ефективне з лимонною кислотою, ніж з неорганічними кислотами H2SO4 і HCl. Більше 96% Co і майже 100% Li були відновлені з відпрацьованих літій-іонних акумуляторів. Той факт, що органічні кислоти, такі як лимонна кислота та оцтова кислота, є недорогими та біологічно розкладаються, сприяє подальшим економічним та екологічним перевагам ультразвуку.

Потужні промислові ультразвуки для вилуговування металу з відпрацьованих батарей

Hielscher Ultrasonics - це ваш багаторічний постачальник високоефективних і надійних ультразвукових систем, які забезпечують необхідну потужність для вилуговування металів з відходів. Для повторної обробки літій-іонних акумуляторів шляхом вилучення металів, таких як кобальт, літій, нікель і марганець, необхідні потужні та надійні ультразвукові системи. Промислові установки Hielscher Ultrasonics, такі як UIP4000hdT (4 кВт), UIP6000hdT (6 кВт), UIP10000 (10 кВт) і UIP16000 (16 кВт), є найпотужнішими та найнадійнішими високопродуктивними ультразвуковими системами на ринку. Всі наші промислові установки можуть безперервно працювати з дуже високою амплітудою до 200 мкм в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах і в складних умовах. Hielscher також постачає спеціальні сонотроди та реактори для високих температур, тиску та агресивних рідин. Це робить наші промислові ультразвукові апарати найбільш придатними для методів видобувної металургії, наприклад, гідрометалургійної обробки.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:

---

---

Література/Список літератури

• 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.