Siêu âm trong tái chế pin lithium-ion

• Pin lithium-ion dùng trong ô tô điện hiện mới bắt đầu thâm nhập thị trường đại chúng và cùng với đó, cần phát triển năng lực tái chế.
• Hòa tách bằng siêu âm là một kỹ thuật hiệu quả, thân thiện với môi trường để thu hồi các kim loại như Li, Mg, Co, Ni, v.v. từ pin Li-ion đã qua sử dụng.
• Các hệ thống siêu âm công nghiệp Hielscher dành cho ứng dụng hòa tách có độ tin cậy và độ bền cao, đồng thời có thể dễ dàng tích hợp vào các nhà máy tái chế hiện có.

Tái chế pin lithium-ion

Pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi trong xe điện (EV), máy tính xách tay và điện thoại di động. Điều này có nghĩa là pin lithium-ion đã qua sử dụng hiện đang là một thách thức đối với việc quản lý chất thải và tái chế. Pin là một yếu tố chính làm tăng chi phí của xe điện, và việc thải bỏ chúng cũng tốn kém. Các khía cạnh môi trường và kinh tế thúc đẩy việc hình thành một chu trình tái chế khép kín vì chất thải pin chứa các vật liệu có giá trị và giúp giảm dấu chân carbon của quá trình sản xuất pin lithium-ion.
Tái chế pin Li-ion đang phát triển thành một ngành công nghiệp thịnh vượng nhằm bảo đảm nguồn cung kim loại đất hiếm và các thành phần pin khác trong tương lai, đồng thời giảm chi phí môi trường của hoạt động khai thác mỏ.

Tái chế bằng hỏa luyện và thủy luyện so với tái chế pin bằng siêu âm

Dưới đây, chúng tôi so sánh các phương pháp hỏa luyện và thủy luyện truyền thống với kỹ thuật hòa tách bằng siêu âm về ưu điểm và nhược điểm.

Nhược điểm của các phương pháp tái chế pin truyền thống

Các phương pháp truyền thống được sử dụng để tái chế pin lithium-ion bao gồm các quá trình hỏa luyện và thủy luyện.
 
Các phương pháp hỏa luyện bao gồm các quá trình ở nhiệt độ cao như nấu luyện hoặc đốt. Pin chịu tác động của nhiệt độ cực cao, khiến các thành phần hữu cơ cháy hết, còn các thành phần kim loại còn lại được nấu chảy và tách ra. Tuy nhiên, các phương pháp này có một số nhược điểm:

• Tác động đến môi trường: Các quá trình hỏa luyện thải khí thải có hại và các chất ô nhiễm vào khí quyển, góp phần gây ô nhiễm không khí và có thể gây nguy hại cho sức khỏe.
• Tổn thất vật liệu: Các quá trình ở nhiệt độ cao có thể gây tổn thất các vật liệu và kim loại có giá trị do phân hủy nhiệt, làm giảm tỷ lệ thu hồi tổng thể.
• Tiêu tốn nhiều năng lượng: Các phương pháp này thường đòi hỏi lượng năng lượng đầu vào đáng kể, làm tăng chi phí vận hành và dấu chân môi trường.

 
Các phương pháp thủy luyện bao gồm quá trình hòa tách bằng hóa chất để hòa tan các thành phần của pin và chiết tách các kim loại có giá trị. Mặc dù thân thiện với môi trường hơn các phương pháp hỏa luyện, thủy luyện vẫn có những nhược điểm riêng:

• Sử dụng hóa chất: Quá trình hòa tách cần các axit mạnh hoặc các hóa chất ăn mòn khác, làm dấy lên những lo ngại về việc thao tác với hóa chất, quản lý chất thải và nguy cơ ô nhiễm môi trường.
• Thách thức về tính chọn lọc: Việc hòa tách có chọn lọc các kim loại mong muốn có thể gặp khó khăn, dẫn đến tỷ lệ thu hồi thấp hơn và nguy cơ tổn thất các tài nguyên có giá trị.

 

Ưu điểm của hòa tách pin bằng siêu âm so với các kỹ thuật truyền thống

Khi so sánh với cả hai kỹ thuật tái chế bằng hỏa luyện và thủy luyện, kỹ thuật tái chế pin bằng siêu âm vượt trội nhờ nhiều ưu điểm:

1. Nâng cao hiệu quả: Xử lý bằng siêu âm có thể đẩy nhanh sự phân rã của vật liệu pin, giúp rút ngắn thời gian xử lý và nâng cao hiệu quả tổng thể.
2. Cải thiện tỷ lệ thu hồi: Việc áp dụng có kiểm soát hiện tượng xâm thực siêu âm thúc đẩy sự phân rã của các thành phần pin, làm tăng tỷ lệ thu hồi các kim loại có giá trị.
3. Thân thiện với môi trường: Tái chế bằng siêu âm làm giảm sự phụ thuộc vào nhiệt độ cao và các hóa chất có tính tác động mạnh, giảm thiểu tác động đến môi trường và giảm phát thải các chất ô nhiễm.
4. Hòa tách có chọn lọc: Việc áp dụng siêu âm có kiểm soát cho phép phá vỡ có mục tiêu các thành phần cụ thể bên trong pin, giúp phân tách chúng một cách hiệu quả. Vì các hợp chất khác nhau có thể tái chế trong pin được loại bỏ và hòa tan ở những cường độ siêu âm cụ thể, các thông số xử lý được tối ưu hóa cho phép hòa tách chọn lọc từng vật liệu. Điều này giúp phân tách hiệu quả các kim loại và vật liệu có giá trị.
5. Giảm tiêu thụ năng lượng: So với cả phương pháp thủy luyện và đặc biệt là phương pháp hỏa luyện, tái chế bằng siêu âm nhìn chung có hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn, giúp giảm chi phí vận hành và dấu chân carbon.
6. Khả năng mở rộng quy mô và tính linh hoạt: Các hệ thống siêu âm có thể dễ dàng tăng hoặc giảm quy mô để phù hợp với nhiều kích thước pin và công suất sản xuất khác nhau. Ngoài ra, các thiết bị siêu âm dùng để tái chế pin có thể dễ dàng tích hợp vào các cơ sở tái chế pin hiện có. Với nhiều mức công suất sẵn có cùng các phụ kiện tương thích như đầu dò siêu âm và thiết bị phản ứng dạng buồng dòng chảy, các thiết bị siêu âm có thể xử lý các thành phần pin có nhiều kích thước khác nhau và đáp ứng nhiều mức công suất sản xuất, mang lại khả năng mở rộng quy mô và thích ứng trong các quy trình tái chế.
7. Tích hợp hiệp đồng: Hòa tách bằng siêu âm có thể được tích hợp vào các dây chuyền tái chế pin bằng thủy luyện hiện có nhằm tăng cường và cải thiện quá trình hòa tách bằng thủy luyện các kim loại và vật liệu có giá trị từ pin Li-ion đã qua sử dụng.

Nhìn chung, tái chế pin bằng siêu âm cho thấy triển vọng là một phương pháp thân thiện với môi trường hơn, hiệu quả hơn và có tính chọn lọc cao hơn so với các phương pháp hỏa luyện và thủy luyện truyền thống.

 

Hòa tách bằng siêu âm công nghiệp để thu hồi kim loại từ pin đã qua sử dụng

Hòa tách bằng siêu âm và chiết tách kim loại có thể được áp dụng cho các quy trình tái chế pin lithi coban oxit (ví dụ: từ máy tính xách tay, điện thoại thông minh, v.v.) cũng như pin lithi–niken–mangan–coban phức hợp (ví dụ: từ xe điện).
Siêu âm công suất cao được biết đến rộng rãi nhờ khả năng xử lý chất lỏng hóa học và huyền phù nhằm cải thiện quá trình truyền khối và khởi phát các phản ứng hóa học.
Các tác động mạnh mẽ của quá trình xử lý bằng siêu âm công suất cao dựa trên hiện tượng xâm thực âm. Khi năng lượng siêu âm công suất cao được truyền vào chất lỏng / huyền phù, các sóng áp suất thấp và áp suất cao luân phiên trong chất lỏng tạo ra các bọt chân không nhỏ. Các khoang chân không nhỏ này lớn dần qua nhiều chu kỳ áp suất thấp / áp suất cao cho đến khi chúng sụp đổ dữ dội. Các bọt chân không đang sụp đổ có thể được xem là các thiết bị phản ứng vi mô, trong đó nhiệt độ lên tới 5000K, áp suất lên tới 1000atm và tốc độ gia nhiệt và làm nguội trên 10^-10 xuất hiện. Ngoài ra, các lực cắt thủy động lực học mạnh và các tia chất lỏng có vận tốc lên tới 280m/s được tạo ra. Những điều kiện khắc nghiệt này của hiện tượng xâm thực âm tạo ra các điều kiện vật lý và hóa học khác thường trong chất lỏng vốn vẫn lạnh, đồng thời tạo ra môi trường thuận lợi cho các phản ứng hóa học (được gọi là hóa học siêu âm).

Hiện tượng xâm thực do siêu âm tạo ra có thể gây ra sự nhiệt phân các chất tan cũng như sự hình thành các gốc và tác chất có hoạt tính phản ứng cao, chẳng hạn như các gốc tự do, ion hydroxit (•OH,) và ion hydroni (H₃O+), v.v., tạo ra các điều kiện phản ứng đặc biệt trong chất lỏng, nhờ đó tốc độ phản ứng tăng đáng kể. Các chất rắn như hạt được gia tốc bởi các tia chất lỏng và được nghiền nhỏ nhờ va chạm và mài mòn giữa các hạt, làm tăng diện tích bề mặt hoạt động và nhờ đó tăng khả năng truyền khối.
Ưu điểm lớn của quá trình hòa tách và thu hồi kim loại bằng siêu âm là khả năng kiểm soát chính xác các thông số quá trình như biên độ, áp suất và nhiệt độ. Những thông số này cho phép điều chỉnh các điều kiện phản ứng phù hợp chính xác với môi trường xử lý và kết quả đầu ra mong muốn. Hơn nữa, hòa tách bằng siêu âm loại bỏ ngay cả những hạt kim loại nhỏ nhất khỏi vật liệu nền, đồng thời bảo toàn các cấu trúc vi mô. Hiệu quả thu hồi kim loại được nâng cao nhờ siêu âm tạo ra các bề mặt có hoạt tính phản ứng cao, tăng tốc độ phản ứng và cải thiện sự truyền khối. Các quá trình xử lý bằng siêu âm có thể được tối ưu hóa bằng cách tác động đến từng thông số, do đó không chỉ rất hiệu quả mà còn có hiệu suất năng lượng cao.
Khả năng kiểm soát thông số chính xác và hiệu suất năng lượng cao khiến hòa tách bằng siêu âm trở thành kỹ thuật được ưu tiên và vượt trội – đặc biệt khi so sánh với các kỹ thuật hòa tách bằng axit và tạo phức chelat phức tạp.

Thu hồi bằng siêu âm LiCoO₂ từ pin lithium-ion đã qua sử dụng

Siêu âm hỗ trợ quá trình hòa tách khử và kết tủa hóa học, được sử dụng để thu hồi Li dưới dạng Li₂CO₃ và Co dưới dạng Co(OH)₂ từ pin lithium-ion thải.
Zhang et al. (2014) báo cáo việc thu hồi thành công LiCoO₂ bằng thiết bị phản ứng siêu âm. Để chuẩn bị dung dịch ban đầu có thể tích 600mL, họ cho 10g bột LiCoO₂ không còn sử dụng được vào cốc thủy tinh, thêm dung dịch LiOH 2,0mol/L rồi trộn đều.
Hỗn hợp được đưa vào chiếu xạ siêu âm và thiết bị khuấy được khởi động; thiết bị khuấy được đặt bên trong bình phản ứng. Hỗn hợp được gia nhiệt đến 120◦C, sau đó thiết bị siêu âm được đặt ở mức 800W và chế độ hoạt động siêu âm được đặt thành các chu kỳ xung 5 sec. BẬT / 2sec. TẮT. Quá trình chiếu xạ siêu âm được thực hiện trong 6h, sau đó hỗn hợp phản ứng được làm nguội đến nhiệt độ phòng. Phần rắn còn lại được rửa nhiều lần bằng nước khử ion và sấy ở 80◦C đến khối lượng không đổi. Mẫu thu được được thu gom để thử nghiệm tiếp theo và sản xuất pin. Dung lượng sạc trong chu kỳ đầu tiên là 134,2mAh/g và dung lượng xả là 133,5mAh/g. Hiệu suất sạc và xả lần đầu là 99,5%. Sau 40 chu kỳ, dung lượng xả vẫn đạt 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Hòa tách bằng siêu âm với các axit hữu cơ như axit citric không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường. Nghiên cứu cho thấy quá trình hòa tách Co và Li bằng axit citric hiệu quả hơn so với các axit vô cơ H2SO4 và HCl. Hơn 96% Co và gần 100% Li đã được thu hồi từ pin lithium-ion đã qua sử dụng. Việc các axit hữu cơ như axit citric và axit axetic có giá thành thấp và có khả năng phân hủy sinh học góp phần mang lại thêm lợi ích kinh tế và môi trường cho quá trình xử lý bằng siêu âm.

Siêu âm công nghiệp công suất cao để hòa tách kim loại từ pin đã qua sử dụng

Hielscher Ultrasonics là nhà cung cấp giàu kinh nghiệm của bạn về các hệ thống siêu âm có hiệu suất cao và độ tin cậy cao, cung cấp công suất cần thiết để hòa tách kim loại từ vật liệu thải. Để tái xử lý pin lithium-ion bằng cách chiết tách các kim loại như coban, lithium, niken và mangan, các hệ thống siêu âm mạnh mẽ và bền bỉ là thiết yếu. Các thiết bị công nghiệp của Hielscher Ultrasonics như UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) và UIP16000 (16kW) là những hệ thống siêu âm hiệu năng cao mạnh mẽ nhất và bền bỉ nhất trên thị trường. Tất cả các thiết bị công nghiệp của chúng tôi đều có thể chạy liên tục ở biên độ rất cao lên đến 200µm khi vận hành 24/7. Đối với các biên độ cao hơn nữa, chúng tôi có các đầu sonotrode siêu âm được tùy chỉnh. Độ bền bỉ của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 ở chế độ tải nặng và trong các môi trường khắc nghiệt. Hielscher cũng cung cấp các đầu sonotrode và thiết bị phản ứng chuyên dụng cho nhiệt độ cao, áp suất cao và chất lỏng ăn mòn. Điều này khiến các thiết bị siêu âm công nghiệp của chúng tôi phù hợp nhất với các kỹ thuật luyện kim chiết tách, ví dụ như xử lý thủy luyện.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

---

---

Tài liệu/Tài liệu tham khảo

• 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.