Litiy-ion batareyalarini qayta ishlash uchun ultratovush

• Elektromobillarda ishlatiladigan litiy-ion batareyalari endigina ommaviy bozorga kirib kelmoqda va shu bilan birga ularni qayta ishlash quvvatlarini rivojlantirish zarur.
• Ultratovush yordamida tanlab eritish ishlatilgan Li-ion batareyalaridan Li, Mg, Co, Ni va boshqa metallarni qayta ajratib olishning samarali, ekologik toza usulidir.
• Tanlab eritish uchun Hielscher sanoat ultratovush tizimlari ishonchli va mustahkam boʻlib, ularni mavjud qayta ishlash zavodlariga osongina integratsiya qilish mumkin.

Litiy-ion batareyalarini qayta ishlash

Litiy-ion batareyalari elektr transport vositalarida (EV), noutbuklar va mobil telefonlarda keng qoʻllaniladi. Bu ishlatilgan litiy-ion batareyalari chiqindilarni boshqarish va qayta ishlash borasida dolzarb muammo ekanini anglatadi. Batareyalar elektr transport vositalari xarajatlarini belgilovchi asosiy omillardan biri boʻlib, ularni utilizatsiya qilish ham qimmatga tushadi. Ekologik va iqtisodiy jihatlar yopiq siklli qayta ishlashni talab qiladi, chunki batareya chiqindilari qimmatli materiallarni oʻz ichiga oladi va litiy-ion batareyalarini ishlab chiqarishdagi uglerod izini kamaytirishga yordam beradi.
Nodir yer metallari va boshqa batareya tarkibiy qismlarining kelajakda mavjud boʻlishini taʼminlash hamda qazib olishning ekologik xarajatlarini kamaytirish maqsadida Li-ion batareyalarini qayta ishlash jadal rivojlanayotgan sanoat tarmogʻiga aylanmoqda.

Pirometallurgik va gidrometallurgik qayta ishlashni batareyalarni ultratovush yordamida qayta ishlash bilan taqqoslash

Quyida anʼanaviy pirometallurgik va gidrometallurgik jarayonlarni ultratovush yordamida tanlab eritish usuli bilan afzalliklari va kamchiliklari boʻyicha taqqoslaymiz.

Batareyalarni anʼanaviy qayta ishlashning kamchiliklari

Litiy-ion batareyalarini qayta ishlashda qoʻllaniladigan anʼanaviy usullar pirometallurgik va gidrometallurgik jarayonlarni oʻz ichiga oladi.
 
Pirometallurgik usullar eritib ajratish yoki yoqish kabi yuqori haroratli jarayonlarni oʻz ichiga oladi. Batareyalar oʻta yuqori harorat taʼsiriga duchor qilinadi, natijada organik tarkibiy qismlar yonib ketadi, qolgan metall tarkibiy qismlar esa eritilib, ajratiladi. Biroq bu usullarning ayrim kamchiliklari bor:

• Atrof-muhitga taʼsir: Pirometallurgik jarayonlar atmosferaga zararli chiqindilar va ifloslantiruvchi moddalarni chiqarib, havoning ifloslanishiga hissa qoʻshadi va sogʻliq uchun xavf tugʻdirishi mumkin.
• Materiallarning yoʻqotilishi: Yuqori haroratli jarayonlar termik parchalanish tufayli qimmatli materiallar va metallarning yoʻqotilishiga olib kelishi mumkin, bu esa umumiy qayta ajratib olish darajasini pasaytiradi.
• Yuqori energiya sarfi: Bu usullar odatda katta miqdorda energiya talab qiladi, bu esa ekspluatatsiya xarajatlari va atrof-muhitga taʼsirni oshiradi.

 
Gidrometallurgik usullar batareya tarkibiy qismlarini eritish va qimmatli metallarni ajratib olish uchun kimyoviy tanlab eritishni oʻz ichiga oladi. Gidrometallurgiya pirometallurgik usullarga qaraganda ekologik jihatdan qulayroq boʻlsa-da, uning ham oʻz kamchiliklari bor:

• Kimyoviy moddalardan foydalanish: Tanlab eritish uchun kuchli kislotalar yoki boshqa korroziv kimyoviy moddalar kerak boʻladi, bu esa kimyoviy moddalar bilan ishlash, chiqindilarni boshqarish va atrof-muhitning ehtimoliy ifloslanishi borasida tashvish uygʻotadi.
• Selektivlik bilan bogʻliq qiyinchiliklar: Kerakli metallarni selektiv tanlab eritishga erishish qiyin boʻlishi mumkin, bu esa qayta ajratib olish darajasining pasayishiga va qimmatli resurslarning yoʻqotilishi ehtimoliga olib keladi.

 

Batareyalarni ultratovush yordamida tanlab eritishning anʼanaviy usullarga nisbatan afzalliklari

Pirometallurgik va gidrometallurgik qayta ishlash usullarining har ikkalasi bilan taqqoslaganda, batareyalarni ultratovush yordamida qayta ishlash usuli turli afzalliklari tufayli ustunlik qiladi:

1. Oshirilgan samaradorlik: Ultratovush bilan ishlov berish batareya materiallarining parchalanishini tezlashtirishi mumkin, bu esa ishlov berish vaqtini qisqartiradi va umumiy samaradorlikni oshiradi.
2. Yaxshilangan qayta ajratib olish darajasi: Ultratovushli kavitatsiyani nazorat ostida qoʻllash batareya tarkibiy qismlarining parchalanishini kuchaytirib, qimmatli metallarni qayta ajratib olish darajasini oshiradi.
3. Ekologik tozalik: Ultratovush yordamida qayta ishlash yuqori harorat va agressiv kimyoviy moddalarga bogʻliqlikni kamaytirib, atrof-muhitga taʼsirni minimallashtiradi va ifloslantiruvchi moddalar chiqarilishini kamaytiradi.
4. Selektiv tanlab eritish: Ultratovushni nazorat ostida qoʻllash batareyadagi muayyan tarkibiy qismlarni maqsadli parchalash va ularni samarali ajratish imkonini beradi. Batareyadagi qayta ishlanishi mumkin boʻlgan turli birikmalar muayyan ultratovush intensivliklarida chiqarib tashlanishi va eritilishi sababli, optimallashtirilgan ishlov berish parametrlari alohida materiallarni selektiv tanlab eritish imkonini beradi. Bu qimmatli metallar va materiallarni samarali ajratishni osonlashtiradi.
5. Kamaytirilgan energiya sarfi: Gidrometallurgik va ayniqsa pirometallurgik usullarning har ikkalasiga nisbatan ultratovush yordamida qayta ishlash odatda energiya jihatidan samaraliroq boʻlib, ekspluatatsiya xarajatlari va uglerod izini kamaytiradi.
6. Miqyosni oʻzgartirish imkoniyati va moslashuvchanlik: Turli batareya oʻlchamlari va ishlab chiqarish quvvatlariga moslashish uchun ultratovush tizimlarining miqyosini osongina oshirish yoki kamaytirish mumkin. Bundan tashqari, batareyalarni qayta ishlash uchun ultratovush qurilmalarini mavjud batareya qayta ishlash korxonalariga osongina integratsiya qilish mumkin. Turli quvvat darajalarida hamda ultratovush zondlari va oqim hujayrasi reaktorlari kabi mos aksessuarlar bilan tayyor holda mavjud boʻlgan ultratovush qurilmalari turli oʻlchamdagi batareya tarkibiy qismlariga turli ishlab chiqarish quvvatlarida ishlov bera oladi, bu esa qayta ishlash jarayonlarida miqyosni oʻzgartirish imkoniyati va moslashuvchanlikni taʼminlaydi.
7. Sinergik integratsiya: Ishlatilgan Li-ion batareyalaridan qimmatli metallar va materiallarni gidrometallurgik tanlab eritishni jadallashtirish va yaxshilash uchun ultratovush yordamida tanlab eritishni mavjud gidrometallurgik batareya qayta ishlash liniyalariga integratsiya qilish mumkin.

Umuman olganda, batareyalarni ultratovush yordamida qayta ishlash anʼanaviy pirometallurgik va gidrometallurgik yondashuvlarga nisbatan ekologik jihatdan qulayroq, samaraliroq va selektivroq usul sifatida istiqbolli koʻrinadi.

 

Ishlatilgan batareyalardan metallarni qayta ajratib olish uchun sanoat miqyosida ultratovush yordamida tanlab eritish

Ultratovush yordamida tanlab eritish va metallarni ekstraksiya qilish litiy-kobalt oksidli batareyalarni (masalan, noutbuklar, smartfonlar va boshqalardan) hamda murakkab litiy-nikel-marganes-kobaltli batareyalarni (masalan, elektr transport vositalaridan) qayta ishlash jarayonlarida qoʻllanilishi mumkin.
Yuqori quvvatli ultratovush massa almashinuvini yaxshilash va kimyoviy reaksiyalarni boshlash uchun kimyoviy suyuqliklar va suspenziyalarga ishlov berish qobiliyati bilan yaxshi tanilgan.
Yuqori quvvatli ultratovush bilan ishlov berishning kuchli taʼsirlari akustik kavitatsiya hodisasiga asoslanadi. Yuqori quvvatli ultratovushni suyuqliklarga / suspenziyalarga uzatishda suyuqlikdagi navbatma-navbat keluvchi past va yuqori bosimli toʻlqinlar kichik vakuum pufakchalarini hosil qiladi. Kichik vakuum boʻshliqlari bir necha past bosim / yuqori bosim sikllari davomida oʻsib, oxir-oqibat shiddat bilan ichkariga qulaydi. Qulayotgan vakuum pufakchalarini mikroreaktorlar deb hisoblash mumkin; ularda haroratlar 5000K gacha, bosimlar 1000atm gacha yetadi, qizish va sovish tezliklari esa 10^-10 dan yuqori boʻladi. Bundan tashqari, kuchli gidrodinamik siljish kuchlari va tezligi 280m/s gacha boʻlgan suyuqlik oqimchalari hosil boʻladi. Akustik kavitatsiyaning bunday ekstremal sharoitlari, boshqa holatda sovuq boʻlib qoladigan suyuqliklarda favqulodda fizik va kimyoviy sharoitlarni yaratadi hamda kimyoviy reaksiyalar uchun qulay muhit hosil qiladi (bu sonokimyo deb ataladi).

Ultratovush hosil qilgan kavitatsiya erigan moddalarning termolizini, shuningdek, erkin radikallar, gidroksid ionlari (•OH,), gidroniy (H₃O+) va boshqalar kabi yuqori reaktiv radikallar va reagentlarning hosil boʻlishini keltirib chiqarishi mumkin; ular suyuqlikda favqulodda reaktiv sharoitlar yaratadi va shu tufayli reaksiya tezligi sezilarli darajada oshadi. Zarrachalar kabi qattiq moddalar suyuqlik oqimchalari bilan tezlashtiriladi va zarrachalararo toʻqnashuv hamda ishqalanish orqali maydalanadi, bu esa faol sirt maydonini va shu orqali massa almashinuvini oshiradi.
Ultratovush yordamida tanlab eritish va metallarni qayta ajratib olishning katta afzalligi amplituda, bosim va harorat kabi jarayon parametrlarini aniq nazorat qilishdir. Bu parametrlar reaksiya sharoitlarini jarayon muhiti va koʻzlangan natijaga aniq moslashtirish imkonini beradi. Bundan tashqari, ultratovush yordamida tanlab eritish mikrostrukturalarni saqlagan holda substratdan hatto eng kichik metall zarrachalarini ham chiqarib tashlaydi. Metallarni qayta ajratib olishning yaxshilanishi ultratovush yordamida yuqori reaktiv sirtlarning yaratilishi, reaksiya tezliklarining oshishi va massa koʻchishining yaxshilanishi bilan bogʻliq. Ultratovush bilan ishlov berish jarayonlarini har bir parametrga taʼsir koʻrsatish orqali optimallashtirish mumkin va shu sababli ular nafaqat juda samarali, balki energiya jihatidan ham yuqori samaradorlikka ega.
Parametrlarni aniq nazorat qilish va energiya samaradorligi ultratovush yordamida tanlab eritishni qulay va ustun usulga aylantiradi – ayniqsa murakkab kislotali tanlab eritish va xelatlash usullari bilan taqqoslaganda.

Ishlatilgan litiy-ion batareyalaridan LiCoO₂ ni ultratovush yordamida qayta ajratib olish

Ultratovush bilan ishlov berish chiqindi litiy-ion batareyalaridan Li ni Li₂CO₃ va Co ni Co(OH)₂ shaklida qayta ajratib olish uchun qoʻllaniladigan qaytaruvchi tanlab eritish va kimyoviy choʻktirishga yordam beradi.
Zhang va boshqalar (2014) LiCoO₂ ni ultratovushli reaktor yordamida muvaffaqiyatli qayta ajratib olish haqida xabar beradilar. 600mL boshlangʻich eritmani tayyorlash uchun ular kimyoviy stakanga 10g yaroqsiz LiCoO₂ kukunini solib, 2,0mol/L konsentratsiyali LiOH eritmasini qoʻshganlar va ularni aralashtirganlar.
Aralashma ultratovush bilan nurlantirish qismiga quyilgan va aralashtirish qurilmasi ishga tushirilgan; aralashtirish qurilmasi reaksiya idishining ichiga joylashtirilgan. Aralashma 120◦C gacha qizdirilgan, soʻng ultratovush qurilmasi 800W ga oʻrnatilgan va ultratovushning ishlash rejimi 5 sec. YOQILGAN / 2sec. OʻCHIRILGAN impulsli ish sikllariga sozlangan. Ultratovush bilan nurlantirish 6h davomida qoʻllanilgan, keyin esa reaksiya aralashmasi xona haroratigacha sovigan. Qattiq qoldiq deionizatsiyalangan suv bilan bir necha marta yuvilgan va doimiy vaznga yetguncha 80◦C da quritilgan. Olingan namuna keyingi sinovlar va batareya ishlab chiqarish uchun yigʻib olingan. Birinchi sikldagi zaryadlash sigʻimi 134,2mAh/g, razryadlash sigʻimi esa 133,5mAh/g ni tashkil etadi. Birinchi zaryadlash va razryadlash samaradorligi 99,5% boʻlgan. 40 sikldan keyin ham razryadlash sigʻimi 132,9mAh/g ni tashkil etadi. (Zhang et al. 2014)
 

 
Limon kislotasi kabi organik kislotalar bilan ultratovush yordamida tanlab eritish nafaqat samarali, balki ekologik jihatdan ham qulaydir. Tadqiqot Co va Li ni tanlab eritish limon kislotasi bilan H2SO4 va HCl kabi noorganik kislotalarga qaraganda samaraliroq ekanini aniqladi. Ishlatilgan litiy-ion batareyalaridan Co ning 96% dan ortigʻi va Li ning qariyb 100% i qayta ajratib olindi. Limon kislotasi va sirka kislotasi kabi organik kislotalarning arzonligi va biologik parchalanishi ultratovush bilan ishlov berishning qoʻshimcha iqtisodiy va ekologik afzalliklariga hissa qoʻshadi.

Ishlatilgan batareyalardan metallarni tanlab eritish uchun yuqori quvvatli sanoat ultratovush tizimlari

Hielscher Ultrasonics chiqindi materiallardan metallarni tanlab eritish uchun zarur quvvatni taʼminlaydigan yuqori samarali va ishonchli ultratovush tizimlarini yetkazib berish boʻyicha uzoq yillik tajribaga ega hamkoringizdir. Kobalt, litiy, nikel va marganes kabi metallarni ajratib olish orqali Li-ion batareyalarini qayta ishlash uchun kuchli va mustahkam ultratovush tizimlari zarur. UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) va UIP16000 (16kW) kabi Hielscher Ultrasonics sanoat qurilmalari bozordagi eng kuchli va eng mustahkam yuqori unumdor ultratovush tizimlaridir. Barcha sanoat qurilmalarimiz 24/7 rejimida 200µm gacha boʻlgan juda yuqori amplitudalarda uzluksiz ishlashi mumkin. Yanada yuqori amplitudalar uchun maxsus tayyorlangan ultratovush sonotrodlari mavjud. Hielscher ultratovush uskunalarining mustahkamligi ogʻir yuklama ostida va yuqori talablar qoʻyiladigan muhitlarda 24/7 rejimida ishlash imkonini beradi. Hielscher yuqori haroratlar, bosimlar va korroziv suyuqliklar uchun maxsus sonotrodlar va reaktorlarni ham yetkazib beradi. Bu sanoat ultratovush qurilmalarimizni ekstraktiv metallurgiya usullari, masalan, gidrometallurgik ishlov berish uchun eng mos qurilmalarga aylantiradi.

Quyidagi jadval ultratovush qurilmalarimizning taxminiy ishlov berish quvvati haqida tasavvur beradi:

---

---

Adabiyotlar/Manbalar

• 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.