Ультрасоніки для переробки літій-іонних батарей
- Літій-іонні акумулятори, що використовуються в електричних автомобілях, тільки зараз надходять на масовий ринок, і з нею слід розвивати переробні потужності.
- Ультразвукове вилуговування - це ефективна, екологічна техніка для відновлення таких металів, як Li, Mg, Co, Ni та ін з використаних літій-іонних батарей.
- Промислові ультразвукові системи Hielscher для вилуговування додатків є надійними та надійними і можуть бути легко інтегровані в існуючі переробні установки.
Переробка літій-іонних батарей
Літій-іонні акумулятори широко використовуються в електричних транспортних засобах (EV), ноутбуки та мобільні телефони. Це означає, що відпрацьовані літій-іонні акумулятори є поточним викликом, що стосуються управління відходами та утилізації. Батареї є одним з основних витрат водія для EVs, і їх розпорядженні є дорогим, теж. Екологічні та економічні аспекти домагатися замкнутого циклу переробки, так як батареї відходів містить цінні матеріали і допомагає знизити вуглецевий слід виробництва літій-іонних батарей.
Переробка літій-іонних батарей зростає до процвітаючого галузевого сектору з метою забезпечення майбутньої доступності рідкоземельних металів та інших компонентів батарей та зменшення екологічних витрат на видобуток.
Промислове ультразвукове вилуговування
Ультразвукове вилуговування та вилучення металів можна застосовувати для процесів переробки окислювальних батарей літію (наприклад, з ноутбуків, смартфонів тощо), а також складних літій-нікель-марганець-кобальтових батарей (наприклад, з електричних транспортних засобів).
Ультразвук високої потужності добре відомий своєю здатністю обробляти хімічні рідини та шлам, щоб поліпшити перенесення маси та ініціювати хімічні реакції.
Інтенсивні наслідки ультразвукового усунення енергії базуються на явищі акустичної кавітації. З'єднання потужних ультразвуку в рідини / суспензії, змінні хвилі низького тиску і високого тиску в рідинах генерують невеликі пухирці з вакуумом. Маленькі вакуумні порожнечі ростуть над різними циклами низького тиску / високого тиску, доки вони не бувають сильно. Розпадні вакуумні бульбашки можна розглядати як мікрореактори, в яких температура до 5000 К, тиск до 1000 атм, а також швидкості нагріву та охолодження вище 10-10 виникати Крім того, утворюються сильні гідродинамічні зсувні сили та рідкі струміни зі швидкістю до 280 м / с. Ці екстремальні умови акустичної кавітації створюють надзвичайні фізико-хімічні умови в інших холодних рідинах і створюють сприятливе середовище для хімічних реакцій (Сонохімія)
Ультразвуковий процесор потужністю 48кВт
для вимогливих додатків, таких як вилуговування металів
Ультразвукове вимивання металів з виснаженими відпрацьованими батареями.
Великою перевагою ультразвукового вилуговування та відновлення металів є точний контроль над параметрами процесу, такими як амплітуда, тиск і температура. Ці параметри дозволяють точно відрегулювати умови реакції до технологічного середовища та цільового виводу. Крім того, ультразвукове вилуговування видаляє навіть найменші металеві частинки з субстрату, зберігаючи при цьому мікроструктури. Підвищений метал відновлюється завдяки ультразвуковому створенню високореактивних поверхонь, підвищенню швидкості реакції та поліпшенню масового транспорту. Процеси аніксінації можуть бути оптимізовані, впливаючи на кожен параметр, і, отже, не тільки дуже ефективні, але й дуже енергоефективні.
Точний контроль параметрів та енергоефективність дають ультразвукове вилуговування сприятливу та вишукану техніку – особливо у порівнянні зі складними методами вилуговування та хімічного вилучення.
Ультразвукове відновлення LiCoO2 від витрачених літій-іонних батарей
Ультразвукова реакція допомагає редуктивному вимиванню та хімічним осадкам, які використовуються для відновлення Li як Li2CO3 і Co as Co (OH)2 з відходів літій-іонних акумуляторів.
Чжан та ін. (2014) повідомляють про успішне відновлення LiCoO2 використовуючи ультразвуковий реактор. для того, щоб підготувати вихідний розчин 600мл, вони помістили 10г неприпустимого LiCoO2 порошок у склянці та додавали 2,0моль / л розчину LiOH, які були змішані.
Суміш виливали в ультразвукове опромінення і розпочато замішувальну апаратуру, пристрій для перемішування поміщали всередину реакційного контейнера. Він нагрівався до 120 ° С, а потім ультразвуковий пристрій був встановлений до 800 Вт, а ультразвуковий режим роботи був встановлений на імпульсний режим роботи 5 сек. ON / 2сек. ВИМКНЕНО Ультразвукове опромінення застосовують протягом 6 годин, а потім реакційну суміш охолоджують до кімнатної температури. Твердий залишок кілька разів промивають деіонізованою водою та сушать при 80 ° С до постійної ваги. Отриманий зразок був зібраний для подальшого тестування та виробництва батареї. Потужність заряду в першому циклі становить 134,2 мА / г, а ємність є 133,5 мА / г. Ефективність заряду та скидання вперше склала 99,5%. Після 40 циклів розрядність досягає 132,9 мА / г. (Zhang et al., 2014)
Використовуються кристали LiCoO2 перед обробкою ультразвуком (а) та після (б) при 120 ° С протягом 6 годин. Джерело: Zhang et al. 2014 рік
Ультразвукове вимивання органічними кислотами, такими як лимонна кислота, є не тільки ефективним, але і екологічно чистим. Дослідження показало, що вилуговування Co та Li ефективніше з лимонною кислотою, ніж з неорганічними кислотами H2ТАК4 і HCl. Понад 96% Co та майже 100% Li були відновлені з витрачених літій-іонних батарей. Той факт, що органічні кислоти, такі як лимонна кислота та оцтова кислота, є недорогими та легко розщеплюються, сприяє подальшим економічним та екологічним перевагам ультразвукової обробки.
Висока потужність промислова ультразвукова томографія
Hielscher Ultrasonics - це ваш багаторічний постачальник високоефективних та надійних ультразвукових систем, які забезпечують необхідну потужність для вилучення металів з відходів. Для переробки літій-іонних батарей шляхом вилучення таких металів, як кобальт, літій, нікель і марганець, важливі потужні та надійні ультразвукові системи. Хільшер Ультрасоніки’ промислові підрозділи, такі як UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10 кВт) і UIP16000 (16 кВт) є найбільш потужними та надійними високопродуктивними ультразвуковими системами на ринку. Всі наші промислові пристрої можуть постійно працювати з дуже високою амплітудою до 200μm в режимі 24/7. Для більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотоди. Універсальність ультразвукового обладнання Хілеша дозволяє працювати 24 години на добу і 7 днів у важкій робочій зоні. Hielscher постачає спеціальні сонотроди та реактори для високих температур, тисків та агресивних рідин. Це робить наші промислові ультразвукові прилади найбільш придатними для видобувної металургії, наприклад гідрометалургійних процедур.
У таблиці нижче наведено приблизну потужність обробки наших ультразвукових пристроїв:
| пакетний Обсяг | швидкість потоку | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 0.1 до 20 л | 0.2 до 4л / хв | UIP2000hdT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л / хв | UIP4000 |
| застосовується | Від 10 до 100 л / хв | UIP16000 |
| застосовується | більший | кластер UIP16000 |
Факти варті знати
Літій-іонні акумулятори
Літій-іонні акумулятори (LIB) - це колективний термін для (акумуляторних) акумуляторів, які пропонують високу щільність енергії та часто інтегровані в споживчу електроніку, таку як електронні автомобілі, гібридні автомобілі, ноутбуки, мобільні телефони, плеєри тощо. Порівняно з Інші варіанти акумуляторів з аналогічним розміром та потужністю, LIB значно легше.
На відміну від одноразової літієвої первинної батареї, LIB використовує інтеркальовану літієву суміш замість металевого літію як свого електрода. Основними складовими літій-іонного акумулятора є його електроди – анод і катод – і електроліт.
Більшість клітин поділяють загальні компоненти з точки зору електроліту, сепаратора, фольги та корпусу. Основна відмінність клітинних технологій - це матеріал, який використовується як “активні матеріали” такі як катод і анод. Графіт є найбільш часто використовуваним матеріалом як анод, тоді як катод виготовлений з шаруватих LiMO2 (M = Mn, Co і Ni), шпінелі LiMn2О.4, або оливин LiFePO4. Органічні рідкі електроліти електролітів (наприклад, солі LiPF6, розчинені в суміші з органічними розчинниками, такими як етилен карбонат (ЕК), диметилкарбонат (ДМК), діетилкарбонат (ОВК), етилметилкарбонат (ЕМС) та ін.) Дозволяє іонний рух
Залежно від позитивних (катодних) та негативних (анодних) електродних матеріалів щільність енергії та напруга ЛІБ змінюються відповідно.
Коли використовується в електричних транспортних засобах, часто використовується електричний акумулятор (EVB) або тягова батарея. Такі тягові батареї використовуються в навантажувачів, електричних гольф-телегах, скруберів для підлоги, електричних мотоциклів, електромобілів, вантажних автомобілів, фургонів та інших електричних транспортних засобів.
Переробка металів із витрачених літій-іонних батарей
У порівнянні з іншими типами батарей, які часто містять свинець або кадмій, літій-іонні батареї містять менш токсичні метали, і тому вважаються екологічними. Однак величезна кількість використаних літій-іонних батарей, які доведеться утилізувати в якості відпрацьованих акумуляторів від електричних машин, є проблемою відходів. Тому необхідно замкнути цикл переробки літій-іонних батарей. З економічної точки зору металеві елементи, такі як залізо, мідь, нікель, кобальт і літій, можуть бути відновлені та використані для виробництва нових батарей. Утилізація також може запобігти майбутньому дефіциту.
Хоча на ринок потрапляють акумулятори з вищим вмістом нікелю, неможливо виробляти акумулятори без кобальту. Більш високий вміст нікелю приходить у вартість: з підвищеним вмістом нікелю стабільність акумулятора зменшується, що призводить до зменшення його терміну служби та швидкості заряду.
Зростаючий попит на літій-іонні батареї вимагає збільшення обсягів переробки відпрацьованих батарей.
Процес переробки
Батареї електричних транспортних засобів, таких як Tesla Roadster, мають приблизний термін служби 10 років.
Переробка вичерпаних літієво-іонних батарей є складним процесом, оскільки в них беруть участь високопровідні та небезпечні хімічні речовини, що призводить до ризику термічного втечі, ураження електричним струмом та викидів шкідливих речовин.
Для того, щоб встановити переробку замкнутого циклу, кожне хімічне з'єднання та всі елементи повинні бути розділені на їх окремі фракції. Однак енергія, необхідна для такої переробки замкнених циклів, дуже дорога. Найціннішими матеріалами для відновлення є такі метали, як Ni, Co, Cu, Li та ін, оскільки дорогі видобутки та високі ринкові ціни на металеві компоненти роблять переробку економічно привабливою.
Процес переробки літій-іонних батарей починається з демонтажу та розрядження батарей. Перед тим, як відкрити акумулятор, необхідне пасивування, щоб ініціювати хімічні речовини в акумуляторі. Пасивування може бути досягнуте шляхом криогенного заморожування або контрольованого окислення. Залежно від розміру акумулятора батареї можна розібрати та розібрати до стільниці. Після демонтажу та дроблення компоненти ізолюють за допомогою кількох методів (наприклад, скринінг, просіювання, ручний збір, магнітне, вологе та балістичне розділення) для видалення клітинних оболонок, алюмінію, міді та пластмас з порошку електродів. Відділення матеріалу електродів необхідне для процесів, що надходять, наприклад, гідрометалургійне лікування.
Піроліз
Для піролітичної обробки, подрібнені батарейки плавляться в печі, де додається шлакоутворювальний агент.
Гідротермічні процеси
Гідрометалургійна обробка базується на кислотних реакціях для осадження солей як металів. Типові гідрометалургійні процеси включають вилуговування, осадження, іонний обмін, екстракцію розчинником та електроліз водних розчинів.
Перевагою гідротермічної переробки є висока врожайність + 95% Ni і Co у вигляді солей, + 90% Li може осаджуватися, а інші можуть бути відновлені до + 80%.
Особливо кобальт є найважливішим компонентом катодів літій-іонних батарей для високоенергетичних та енергетичних застосувань.
Поточні гібридні автомобілі, такі як Toyota Prius, використовують нікель-металгідридні батареї, які демонтуються, скидаються та переробляються аналогічно літій-іонним батареям.
Література / Довідники
- 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.
Потужна ультразвукова обробка від лабораторії та верстата до промислового виробництва.