Ultrasonics để tái chế pin Lithium Ion

• Pin Lithium-ion được sử dụng trong ô tô điện hiện mới được tung ra thị trường đại chúng và cùng với đó, năng lực tái chế phải được phát triển.
• Rửa trôi 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.
• Hệ thống siêu âm công nghiệp Hielscher cho các ứng dụng rửa trôi đáng tin cậy và mạnh mẽ và 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 là một thách thức hiện tại liên quan đến quản lý và tái chế chất thải. Pin là một yếu tố thúc đẩy chi phí chính cho xe điện và việc thải bỏ chúng cũng rất tốn kém. Các khía cạnh môi trường và kinh tế thúc đẩy vòng tái chế khép kín vì chất thải pin chứa các vật liệu có giá trị và giúp giảm lượng khí thải carbon khi sản xuất pin Lithium-ion.
Việc tái chế pin Li-ion đang phát triển thành một lĩnh vực công nghiệp phát triển mạnh để đảm bảo sự sẵn có trong tương lai của kim loại đất hiếm và các thành phần pin khác và giảm chi phí môi trường của việc khai thác.

Tái chế Pyrometallurgical và Thủy luyện kim so với Tái chế pin siêu âm

Dưới đây, chúng tôi so sánh các phương pháp thông thường của quy trình luyện kim và luyện kim thủy lực với kỹ thuật rửa trôi siêu âm về ưu điểm và hạn chế.

Hạn chế của việc tái chế pin thông thường

Các phương pháp truyền thống được sử dụng để tái chế pin lithium-ion bao gồm các quy trình luyện kim và luyện kim thủy lực.
 
Phương pháp Pyrometallurgical liên quan đến các quy trình nhiệt độ cao như nấu chảy hoặc đốt. Pin chịu nhiệt độ quá cao, khiến các thành phần hữu cơ bị cháy, các thành phần kim loại còn lại bị nóng chảy và tách ra. Tuy nhiên, các phương pháp này có một số nhược điểm:

• Tác động môi trường: Các quá trình pyrometallurgical giải phóng khí thải và chất ô nhiễm độc hại vào khí quyển, góp phần gây ô nhiễm không khí và có khả năng gây nguy hiểm cho sức khỏe.
• Mất vật liệu: Các quy trình ở nhiệt độ cao có thể dẫn đến thất thoát các vật liệu và kim loại có giá trị do xuống cấp nhiệt, làm giảm tỷ lệ thu hồi tổng thể.
• Sử dụng nhiều năng lượng: Các phương pháp này thường yêu cầu đầu vào năng lượng đáng kể, làm tăng chi phí vận hành và tác động đến môi trường.

 
Phương pháp luyện kim thủy lực liên quan đến rửa trôi hóa học để hòa tan các thành phần của pin và chiết xuất các kim loại có giá trị. Mặc dù thân thiện với môi trường hơn so với các phương pháp luyện kim nhiệt đới, nhưng thủy luyện kim có những nhược điểm riêng:

• Sử dụng hóa chất: Axit mạnh hoặc các hóa chất ăn mòn khác là cần thiết để rửa trôi, điều này làm dấy lên lo ngại về việc xử lý hóa chất, quản lý chất thải và ô nhiễm môi trường tiềm ẩn.
• Thách thức về tính chọn lọc: Đạt được khả năng rửa trôi có chọn lọc các kim loại mong muốn có thể khó khăn, dẫn đến tỷ lệ thu hồi thấp hơn và khả năng mất các nguồn tài nguyên quý giá.

 

Ưu điểm của rửa trôi pin siêu âm so với các kỹ thuật thông thường

Khi so sánh với cả hai kỹ thuật tái chế luyện kim và luyện kim thủy lực, kỹ thuật tái chế pin siêu âm vượt trội do nhiều ưu điểm khác nhau:

1. Nâng cao hiệu quả: Siêu âm có thể đẩy nhanh quá trình phân hủy vật liệu pin, dẫn đến thời gian xử lý ngắn hơn và hiệu quả tổng thể cao hơn.
2. Cải thiện tỷ lệ phục hồi: Ứng dụng có kiểm soát của xâm thực siêu âm làm tăng sự phân hủy các thành phần của pin, tăng tỷ lệ thu hồi các kim loại có giá trị.
3. Thân thiện với môi trường: Tái chế siêu âm làm giảm sự phụ thuộc vào nhiệt độ cao và hóa chất khắc nghiệt, giảm thiểu tác động đến môi trường và giảm phát thải các chất ô nhiễm.
4. Rửa trôi chọn lọc: Ứng dụng có kiểm soát của siêu âm cho phép phá vỡ các thành phần cụ thể trong pin, tách chúng một cách hiệu quả. Vì các hợp chất pin có thể tái chế khác nhau được loại bỏ và hòa tan dưới cường độ siêu âm cụ thể, các thông số xử lý được tối ưu hóa cho phép rửa trôi có chọn lọc các vật liệu riêng lẻ. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc tách hiệu quả các kim loại và vật liệu có giá trị.
5. Giảm tiêu thụ năng lượng: So với cả hai, phương pháp luyện kim thủy lực và đặc biệt là phương pháp luyện kim, tái chế siêu âm thường tiết kiệm năng lượng hơn, dẫn đến chi phí vận hành thấp hơn và giảm lượng khí thải carbon.
6. Khả năng mở rộng và tính linh hoạt: Hệ thống siêu âm có thể dễ dàng tăng hoặc giảm để phù hợp với các kích thước pin và công suất sản xuất khác nhau. Ngoài ra, máy siêu âm để tái chế pin có thể dễ dàng tích hợp vào các cơ sở tái chế pin hiện có. Có sẵn ở các quy mô công suất khác nhau và các phụ kiện phù hợp như đầu dò siêu âm và lò phản ứng tế bào dòng chảy, máy siêu âm có thể xử lý các thành phần pin có kích thước và năng lực sản xuất khác nhau, cung cấp khả năng mở rộng và khả năng thích ứng trong quá trình tái chế.
7. Tích hợp hiệp đồng: Rửa trôi siêu âm có thể được tích hợp vào dây chuyền tái chế pin luyện kim thủy lực hiện có để tăng cường và cải thiện quá trình rửa trôi thủy luyện kim của các kim loại và vật liệu có giá trị từ pin Li-ion đã qua sử dụng.

Nhìn chung, tái chế pin siêu âm cho thấy hứa hẹn là một phương pháp thân thiện với môi trường, hiệu quả và chọn lọc hơn so với các phương pháp luyện kim và luyện kim thủy lực truyền thống.

 

Rửa trôi siêu âm công nghiệp để thu hồi kim loại từ pin đã qua sử dụng

Rửa trôi siêu âm và chiết xuất kim loại có thể được áp dụng cho các quá trình tái chế pin lithium coban oxide (ví dụ: từ máy tính xách tay, điện thoại thông minh, v.v.) cũng như pin lithium-niken-mangan-coban phức tạp (ví dụ: từ xe điện).
Siêu âm công suất cao nổi tiếng với khả năng xử lý chất lỏng hóa học và bùn để cải thiện sự truyền khối lượng và bắt đầu các phản ứng hóa học.
Các tác động mạnh mẽ của siêu âm công suất dựa trên hiện tượng xâm thực âm thanh. Bằng cách ghép sóng siêu âm công suất cao vào chất lỏng / bùn, sóng áp suất thấp và áp suất cao xen kẽ trong chất lỏng tạo ra các bong bóng chân không nhỏ. Các khoảng trống chân không nhỏ phát triển qua các chu kỳ áp suất thấp / áp suất cao khác nhau cho đến khi nổ mạnh. Các bong bóng chân không sụp đổ có thể được coi là lò phản ứng vi mô trong đó nhiệt độ lên đến 5000K, áp suất lên đến 1000atm và tốc độ sưởi ấm và làm mát trên 10^-10 xảy ra. Hơn nữa, lực cắt thủy động lực học mạnh và các tia chất lỏng với vận tốc lên đến 280m / s được tạo ra. Những điều kiện khắc nghiệt của sự xâm thực âm thanh tạo ra các điều kiện vật lý và hóa học đặc biệt trong các chất lỏng lạnh và tạo ra một môi trường có lợi cho các phản ứng hóa học (được gọi là Sonochemistry).

Sự xâm thực được tạo ra bằng sóng siêu âm có thể gây ra quá trình nhiệt phân chất tan cũng như sự hình thành các gốc và thuốc thử có phản ứng cao, chẳng hạn như gốc tự do, ion hydroxit (• OH,) hydroni (H₃O +), v.v., cung cấp các điều kiện phản ứng đặc biệt trong chất lỏng để tốc độ phản ứng tăng lên đáng kể. Các chất rắn như hạt được gia tốc bởi các tia chất lỏng và được nghiền bởi va chạm và mài mòn giữa các đặc biệt, làm tăng diện tích bề mặt hoạt động và do đó truyền khối lượng.
Ưu điểm tuyệt vời của rửa trôi siêu âm và thu hồi kim loại là kiểm soát chính xác các thông số quy trình như biên độ, áp suất và nhiệt độ. Các thông số này cho phép điều chỉnh các điều kiện phản ứng chính xác với môi trường xử lý và đầu ra mục tiêu. Hơn nữa, rửa trôi siêu âm loại bỏ ngay cả những hạt kim loại nhỏ nhất khỏi chất nền, đồng thời bảo tồn các cấu trúc vi mô. Khả năng thu hồi kim loại được tăng cường là do siêu âm tạo ra các bề mặt phản ứng cao, tăng tốc độ phản ứng và cải thiện vận chuyển khối lượng. Quá trình siêu âm có thể được tối ưu hóa bằng cách ảnh hưởng đến từng thông số và do đó không chỉ rất hiệu quả mà còn tiết kiệm năng lượng cao.
Kiểm soát thông số chính xác và hiệu quả năng lượng của nó làm cho rửa trôi siêu âm trở thành kỹ thuật thuận lợi và xuất sắc – Đặc biệt là khi so sánh với các kỹ thuật rửa trôi axit và chelation phức tạp.

Phục hồi siêu âm của LiCoO₂ từ Pin Lithium-Ion đã qua sử dụng

Siêu âm hỗ trợ rửa trôi khử và kết tủa hóa học, được sử dụng để phục hồi Li như Li₂ĐỒNG₃ và Co là Co (OH)₂ từ pin lithium-ion thải.
Zhang et al. (2014) báo cáo sự phục hồi thành công của LiCoO₂ sử dụng lò phản ứng siêu âm. để chuẩn bị dung dịch ban đầu 600mL, họ đặt 10g LiCoO không hợp lệ₂ bột trong cốc và thêm 2,0mol / L dung dịch LiOH, được trộn đều.
Hỗn hợp được đổ vào bức xạ siêu âm và thiết bị khuấy khởi động, thiết bị khuấy được đặt ở bên trong thùng phản ứng. Nó được làm nóng đến 120◦C, và sau đó Thiết bị siêu âm được đặt thành 800W và chế độ hành động siêu âm được đặt thành chu kỳ làm việc xung là 5 giây BẬT / 2 giây TẮT. Chiếu xạ siêu âm được áp dụng trong 6h, và sau đó hỗn hợp phản ứng được làm lạnh đến nhiệt độ phòng. Cặn rắn được rửa nhiều lần bằng nước khử ion và sấy khô ở 80◦C cho đến khi trọng lượng không đổi. Mẫu thu được được thu thập để thử nghiệm tiếp theo và sản xuất pin. Công suất sạc trong chu kỳ đầu tiên là 134.2mAh / g và công suất xả là 133.5mAh / g. Hiệu suất sạc và xả lần đầu tiên là 99,5%. Sau 40 chu kỳ, công suất xả vẫn là 132,9mAh / g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Siêu âm lọc với các axit hữu cơ như axit citric không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường. Nghiên cứu cho thấy việc lọc Co và Li hiệu quả hơn với axit citric 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. Thực tế là các axit hữu cơ như axit citric và axit axetic không tốn kém và có thể phân hủy sinh học, góp phần vào lợi thế kinh tế và môi trường hơn nữa của sonication.

Siêu âm công nghiệp công suất cao để rửa trôi kim loại từ pin đã qua sử dụng

Hielscher Ultrasonics là nhà cung cấp kinh nghiệm lâu năm của bạn về các hệ thống siêu âm hiệu quả cao và đáng tin cậy, cung cấp năng lượng cần thiết để rửa trôi kim loại từ vật liệu phế thải. Để tái xử lý pin li-ion bằng cách chiết xuất các kim loại như coban, lithium, niken và mangan, các hệ thống siêu âm mạnh mẽ và mạnh mẽ là điều cần thiết. Các đơn vị công nghiệp Hielscher Ultrasonics như UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) và UIP16000 (16kW) là những hệ thống siêu âm hiệu suất cao mạnh mẽ và mạnh mẽ nhất trên thị trường. Tất cả các đơn vị công nghiệp của chúng tôi có thể được chạy liên tục với biên độ rất cao lên đến 200μm trong hoạt động 24/7. Đối với biên độ cao hơn nữa, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn. Tính mạnh mẽ của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép hoạt động 24/7 ở nhiệm vụ nặng và trong môi trường đòi hỏi khắt khe. Hielscher cũng cung cấp sonotrodes và lò phản ứng đặc biệt cho nhiệt độ cao, áp suất và chất lỏng ăn mòn. Điều này làm cho máy siêu âm công nghiệp của chúng tôi phù hợp nhất cho các kỹ thuật luyện kim chiết xuất, ví dụ như xử lý luyện kim thủy lực.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:

---

---

Văn học/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.