Ультразвук для переробки літій-іонних акумуляторів

• Літій-іонні акумулятори, що використовуються в електромобілях, лише зараз виходять на масовий ринок, і разом із цим необхідно розвивати потужності з переробки.
• Ультразвукове вилуговування є ефективним та екологічно безпечним методом відновлення металів, таких як Li, Mg, Co, Ni тощо, з відпрацьованих літій-іонних акумуляторів.
• Промислові ультразвукові системи Hielscher для застосування у вилуговуванні є надійними та міцними і можуть бути легко інтегровані в існуючі заводи з переробки.

Переробка літій-іонних акумуляторів

Літій-іонні акумулятори широко використовуються в електротранспорті (EV), ноутбуках та мобільних телефонах. Це означає, що відпрацьовані літій-іонні акумулятори є актуальною проблемою щодо поводження з відходами та переробки. Акумулятори є основним фактором собівартості для електромобілів, а їх утилізація також є дорогою. Екологічні та економічні аспекти спонукають до створення замкнутого циклу переробки, оскільки акумуляторні відходи містять цінні матеріали та допомагають зменшити вуглецевий слід виробництва літій-іонних акумуляторів.
Переробка літій-іонних акумуляторів перетворюється на процвітаючу галузь промисловості, щоб забезпечити майбутню доступність рідкісноземельних металів та інших компонентів акумуляторів і зменшити екологічні витрати на видобуток.

Пірометалургійна та гідрометалургійна переробка проти ультразвукової переробки акумуляторів

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

Недоліки традиційної переробки акумуляторів

Традиційні методи, що використовуються для переробки літій-іонних акумуляторів, включають пірометалургійні та гідрометалургійні процеси.

Пірометалургійні методи включають високотемпературні процеси, такі як плавка або спалювання. Акумулятори піддаються екстремальному нагріванню, що призводить до вигоряння органічних компонентів, а решта металевих компонентів плавиться та розділяється. Однак ці методи мають деякі недоліки:

• Вплив на довкілля: Пірометалургійні процеси вивільняють шкідливі викиди та забруднювачі в атмосферу, сприяючи забрудненню повітря та потенційно створюючи загрозу для здоров’я.
• Втрата матеріалів: Високотемпературні процеси можуть призвести до втрати цінних матеріалів та металів через термічну деградацію, знижуючи загальний рівень відновлення.
• Енергоємність: Ці методи зазвичай вимагають значних енерговитрат, що збільшує експлуатаційні витрати та екологічний слід.

 
Гідрометалургійні методи включають хімічне вилуговування для розчинення компонентів акумулятора та видобутку цінних металів. Хоча вони є більш екологічно безпечними, ніж пірометалургійні методи, гідрометалургія має свої недоліки:

• Використання хімікатів: Для вилуговування потрібні сильні кислоти або інші корозійні хімікати, що викликає занепокоєння щодо поводження з хімікатами, управління відходами та потенційного забруднення довкілля.
• Проблеми селективності: Досягнення селективного вилуговування бажаних металів може бути складним, що призводить до нижчих рівнів відновлення та потенційної втрати цінних ресурсів.

 

Переваги ультразвукового вилуговування акумуляторів над традиційними техніками

У порівнянні з обома, пірометалургійними та гідрометалургійними техніками переробки, ультразвукова техніка переробки акумуляторів перемагає завдяки різним перевагам:

1. Підвищена ефективність: Ультразвукова обробка може прискорити розкладання матеріалів акумулятора, що призводить до коротших часів обробки та вищої загальної ефективності.
2. Покращені рівні відновлення: Контрольоване застосування ультразвукової кавітації покращує розкладання компонентів акумулятора, збільшуючи рівні відновлення цінних металів.
3. Екологічна безпека: Ультразвукова переробка зменшує залежність від високих температур та жорстких хімікатів, мінімізуючи вплив на довкілля та знижуючи викиди забруднювачів.
4. Селективне вилуговування: Контрольоване застосування ультразвуку дозволяє здійснювати цільове руйнування конкретних компонентів у батареї, ефективно розділяючи їх. Оскільки різні придатні для переробки сполуки батарей видаляються та розчиняються при певних інтенсивностях ультразвуку, оптимізовані параметри обробки дозволяють здійснювати селективне вилуговування окремих матеріалів. Це сприяє ефективному розділенню цінних металів та матеріалів.
5. Знижене енергоспоживання: Порівняно з гідрометалургійними та особливо з пірометалургійними методами, ультразвукова переробка загалом є більш енергоефективною, що призводить до нижчих експлуатаційних витрат та зменшення вуглецевого сліду.
6. Масштабованість та гнучкість: Ультразвукові системи можна легко масштабувати вгору або вниз, щоб адаптувати їх до різних розмірів батарей та виробничих потужностей. Крім того, ультразвукові реактори для переробки батарей можна легко інтегрувати в вже існуючі об’єкти з переробки батарей. Доступні в різних масштабах потужності та з відповідним обладнанням, таким як ультразвукові зонди та проточні комірки, ультразвукові реактори можуть обробляти компоненти батарей різних розмірів та виробничих потужностей, забезпечуючи масштабованість та адаптивність у процесах переробки.
7. Синергетична інтеграція: Ультразвукове вилуговування можна інтегрувати в існуючі лінії гідрометалургійної переробки батарей, щоб інтенсифікувати та покращити гідрометалургійне вилуговування цінних металів та матеріалів з відпрацьованих Li-іонних батарей.

Загалом, ультразвукова переробка батарей демонструє перспективи як більш екологічно чистий, ефективний та селективний метод порівняно з традиційними пірометалургійними та гідрометалургійними підходами.

Промислове ультразвукове вилуговування для відновлення металів з відпрацьованих батарей

Ультразвукове вилуговування та екстракція металів можуть застосовуватися в процесах переробки батарей з оксиду літію-кобальту (наприклад, з ноутбуків, смартфонів тощо), а також складних батарей з літію-нікелю-марганцю-кобальту (наприклад, з електромобілів).
Потужний ультразвук добре відомий своєю здатністю обробляти хімічні рідини та суспензії для покращення масопереносу та ініціювання хімічних реакцій.
Інтенсивні ефекти потужної ультразвукової обробки базуються на явищі акустичної кавітації. Завдяки передачі потужного ультразвуку в рідини / суспензії, хвилі низького та високого тиску, що чергуються, у рідинах генерують малі вакуумні бульбашки. Малі вакуумні порожнини зростають протягом різних циклів низького / високого тиску, доки вони не сколаються бурхливо. Колапсуючі вакуумні бульбашки можна розглядати як мікрореактори, в яких виникають температури до 5000K, тиски до 1000atm та швидкості нагрівання і охолодження понад 10^-10 . Крім того, генеруються сильні гідродинамічні зсувні сили та рідинні струмені зі швидкістю до 280m/s. Ці екстремальні умови акустичної кавітації створюють надзвичайні фізичні та хімічні умови в інакше холодних рідинах та формують сприятливе середовище для хімічних реакцій (так звана сонохімія).

Кавітація, що генерується ультразвуком, може ініціювати термоліз розчинених речовин, а також утворення високо реакційних радикалів та реагентів, таких як вільні радикали, іони гідроксиду (•OH,) гідронію (H₃O+) тощо, що створює надзвичайно реакційні умови в рідині, завдяки чому швидкість реакції суттєво зростає. Тверді частинки, такі як порошки, прискорюються рідинними струменями і подрібнюються внаслідок міжчасткового зіткнення та абразії, що збільшує активну поверхню і, таким чином, масоперенос.
Великою перевагою ультразвукового вилуговування та відновлення металів є точне керування параметрами процесу, такими як амплітуда, тиск і температура. Ці параметри дозволяють точно налаштувати умови реакції відповідно до середовища процесу та цільового результату. Крім того, ультразвукове вилуговування видаляє навіть найменші частинки металу з субстрату, зберігаючи при цьому мікроструктури. Покращене відновлення металів досягається завдяки створенню ультразвуком високореакційних поверхонь, підвищенню швидкості реакцій та покращенню масопереносу. Процеси ультразвукової обробки можна оптимізувати, впливаючи на кожен параметр, тому вони є не лише дуже ефективними, а й надзвичайно енергоефективними.
Точне керування параметрами та енергоефективність роблять ультразвукове вилуговування вигідною та провідною технікою – особливо в порівнянні зі складними методами кислотного вилуговування та хелатування.

Ультразвукове відновлення LiCoO₂ з відпрацьованих літій-іонних акумуляторів

Ультразвукова обробка сприяє відновному вилуговуванню та хімічному осадженню, які використовуються для відновлення Li у вигляді Li₂CO₃ і Co у вигляді Co(OH)₂ з відходів літій-іонних акумуляторів.
Zhang et al. (2014) повідомляють про успішне відновлення LiCoO₂ з використанням ультразвукового реактора. Для приготування вихідного розчину об’ємом 600mL вони помістили 10g непридатного порошку LiCoO₂ у хімічну склянку та додали розчин LiOH концентрацією 2,0mol/L, які перемішали.
Суміш вилили в ультразвукове опромінення, і пристрій для перемішування запустили; пристрій для перемішування був розміщений всередині реакційної ємності. Його нагріли до 120◦C, а потім ультразвуковий пристрій був встановлений на 800W, а режим дії ультразвуку був налаштований на імпульсні цикли заповнення 5 сек. ВКЛ / 2 сек. ВИКЛ. Ультразвукове опромінення застосовували протягом 6h, після чого реакційну суміш охолодили до кімнатної температури. Твердий залишок кілька разів промили діонізованою водою і висушили при 80◦C до постійної маси. Отриманий зразок зібрали для подальшого тестування та виробництва акумуляторів. Ємність заряду в першому циклі становить 134,2mAh/g, а ємність розряду – 133,5mAh/g. Коефіцієнт корисної дії першого циклу заряду та розряду склав 99,5%. Після 40 циклів ємність розряду все ще становить 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)

Ультразвукове вилуговування з органічними кислотами, такими як лимонна кислота, є не лише ефективним, а й екологічно безпечним. Дослідження показали, що вилуговування Co та Li є більш ефективним за допомогою лимонної кислоти, ніж неорганічних кислот H2SO4 та HCl. З відпрацьованих літій-іонних акумуляторів було відновлено понад 96% Co і майже 100% Li. Той факт, що органічні кислоти, такі як лимонна та оцтова, є дешевими та біорозкладними, сприяє додатковим економічним та екологічним перевагам ультразвукової обробки.

Промислові високоефективні ультразвукові системи для вилуговування металів з відпрацьованих акумуляторів

Hielscher Ultrasonics є вашим досвідченим постачальником високоефективних і надійних ультразвукових систем, які забезпечують необхідну потужність для вилуговування металів із відходів. Для переробки літій-іонних акумуляторів шляхом видобутку таких металів, як кобальт, літій, нікель і марганець, необхідні потужні та надійні ультразвукові системи. Промислові установки Hielscher Ultrasonics, такі як UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) та UIP16000 (16kW), є найпотужнішими та найнадійнішими високоефективними ультразвуковими системами на ринку. Усі наші промислові установки можуть працювати безперервно з дуже високими амплітудами до 200µm у режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах та у складних середовищах. Hielscher також постачає спеціальні сонотроди та реактори для високих температур, тисків і корозійних рідин. Це робить наші промислові ультразвукові системи найбільш придатними для технік екстракційної металургії, наприклад, гідрометалургійної обробки.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових систем:

---

---

Література/Посилання

• 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.