Siêu âm giúp tái chế pin lithium-ion hiệu quả hơn

Lithium là một vật liệu khan hiếm và có giá trị cao, có trong các loại pin hiệu năng cao như pin Li-ion. Lithium là vật liệu có giá trị cao nhất được thu hồi khi tái chế pin Li-ion, nhưng các khoáng chất và kim loại khác như coban, mangan, niken, đồng và nhôm cũng là những kim loại có giá trị để thu hồi. Xử lý siêu âm cường độ cao được sử dụng như một kỹ thuật khuấy trộn với lực cắt cao và hòa tách để chiết xuất, loại bỏ và hòa tan các khoáng chất và kim loại có giá trị từ pin đã qua sử dụng. Phương pháp xử lý siêu âm có hiệu quả cao, tiết kiệm năng lượng và sẵn có để lắp đặt tại các cơ sở tái chế ở quy mô thương mại hoàn chỉnh.

Tổng quan: Quy trình tái chế pin Li-ion

Quy trình tái chế kim loại quý và vật liệu từ pin Li-ion đã qua sử dụng thường bao gồm nhiều bước. Dưới đây là phần tổng quan:

1. Thu gom và phân loại: Pin Li-ion đã qua sử dụng được thu gom và phân loại dựa trên loại pin và thành phần hóa học.
2. Tháo rời: Trước tiên, lớp vỏ nhựa của pin được phá vỡ và loại bỏ. Sau đó, pin đã bỏ vỏ được đưa vào nitơ lỏng để trung hòa các chất có tính phản ứng và gây nổ. Bước này đảm bảo ngăn chặn việc giải phóng đột ngột toàn bộ năng lượng tích trữ cùng với hiện tượng bắt cháy và nổ liên quan xảy ra sau đó. Tiếp theo, pin được tháo rời để tách các thành phần khác nhau, chẳng hạn như catốt, anốt, chất điện phân và vỏ pin.
3. Nghiền nhỏ: Pin đã tháo rời được nghiền thành những mảnh nhỏ hơn để tăng diện tích bề mặt cho các công đoạn tiếp theo.
4. Tách lớp điện cực: Trước khi xử lý chiết xuất kim loại, các điện cực đã được tách riêng, tức là catốt và anốt, phải được tháo tách thêm. Do vật liệu catốt thường được gắn vào lá nhôm bằng chất kết dính, thường là polyvinylidene fluoride (PVDF) hoặc polytetrafluoroethylene (PTFE), việc tách catốt và lá nhôm khỏi nhau là một nhiệm vụ khó khăn.
5. Xử lý hóa học: Các thành phần pin đã nghiền nhỏ trải qua nhiều bước xử lý hóa học để hòa tan và tách các vật liệu khác nhau. Quá trình này có thể bao gồm hòa tách bằng axit hoặc các dung môi khác để chiết xuất những kim loại có giá trị như lithium, coban, niken và đồng.
6. Thu hồi và tinh chế: Sau đó, các kim loại đã hòa tan được thu hồi từ dung dịch thông qua các quá trình như kết tủa, chiết bằng dung môi hoặc các phương pháp điện hóa. Những bước này giúp tinh chế và làm giàu các kim loại quý.

Cải thiện khả năng thu hồi kim loại quý bằng xử lý siêu âm

Siêu âm công suất cao có thể cải thiện các bước tách lớp điện cực và hòa tách kim loại quý cùng các vật liệu bằng cách tăng cường các phản ứng, qua đó giúp quá trình thu hồi hiệu quả hơn đáng kể. Xử lý siêu âm là kỹ thuật sử dụng sóng siêu âm cường độ cao để tạo ra dao động cơ học và hiện tượng xâm thực âm trong môi trường lỏng. Các lực mạnh do xử lý siêu âm tạo ra được sử dụng để cải thiện quy trình tái chế kim loại quý từ pin Li-ion đã qua sử dụng theo nhiều cách:
 

1. Phân rã: Xử lý siêu âm phá vỡ các vật liệu pin đã nghiền nhỏ để tạo ra những hạt nhỏ hơn. Các hạt nhỏ hơn có diện tích bề mặt lớn hơn, giúp quá trình hòa tách hóa học hiệu quả hơn, hỗ trợ giải phóng các kim loại có giá trị.
2. Cải thiện quá trình hòa tách: Việc áp dụng xử lý siêu âm trong các quá trình hòa tách có thể tăng cường sự tiếp xúc giữa vật liệu rắn và dung dịch hòa tách, nâng cao hiệu suất chiết xuất kim loại. Hòa tách bằng siêu âm thúc đẩy quá trình chiết xuất kim loại và tăng hiệu suất thu hồi các kim loại và khoáng chất như coban, mangan, niken, đồng và nhôm.
3. Cải thiện quá trình tách lớp điện cực: Mục tiêu của việc tách lớp điện cực trong quá trình tái chế pin là tách riêng các thành phần khác nhau, chẳng hạn như điện cực, chất điện phân và màng ngăn, để có thể tiếp tục xử lý hoặc tái chế riêng từng thành phần. Xử lý bằng siêu âm hỗ trợ việc tách và loại bỏ các lớp phủ khỏi điện cực. Các lực cơ học do siêu âm thúc đẩy quá trình phân tách hiệu quả các lớp của điện cực.
4. Tăng tốc phản ứng: Xử lý bằng siêu âm thúc đẩy quá trình trộn nhanh hơn và kỹ hơn, nhờ đó có thể tăng tốc các phản ứng hóa học trong các bước thu hồi và tinh chế kim loại.
5. Giảm tiêu thụ năng lượng: Xử lý bằng siêu âm có thể nâng cao hiệu suất quy trình, giảm thời gian và năng lượng cần thiết để thu hồi kim loại từ pin đã qua sử dụng.

 
Xử lý bằng siêu âm có thể đóng vai trò hữu ích trong việc cải thiện quy trình tái chế kim loại quý và vật liệu từ pin Li-ion đã qua sử dụng bằng cách nâng cao hiệu quả và hiệu suất của các bước khác nhau trong quy trình tái chế.
Các bước hòa tách kim loại bằng siêu âm và tách lớp điện cực có thể được điều chỉnh cho phù hợp với từng quy trình tái chế riêng biệt; các quy trình này có thể thay đổi khi các công ty chuyên tái chế pin Li-ion phát triển và điều chỉnh quy trình của mình để đạt hiệu suất cao nhất.

Xâm thực siêu âm để tách catốt

Xử lý bằng siêu âm tách vật liệu catốt khỏi lá nhôm nhờ tác động của hiện tượng xâm thực âm. Đặc trưng của hiện tượng xâm thực âm hay xâm thực siêu âm là áp suất cao và nhiệt độ cao xuất hiện cục bộ, sau đó giảm xuống, tạo ra chênh lệch áp suất và nhiệt độ tương ứng, cùng với các dòng rối vi mô mạnh và các tia chất lỏng vi mô có lực cắt cao. Các lực xâm thực này tác động lên ranh giới bề mặt, thúc đẩy truyền khối và gây xói mòn. Bằng cách tạo ra các lực hóa học, vật lý, nhiệt và cơ học mạnh như vậy, hiện tượng xâm thực siêu âm tạo ra sự khuấy trộn và truyền khối cần thiết để phá vỡ cấu trúc chất kết dính hữu cơ được sử dụng trong pin lithium-ion nhằm cố định catốt vào bộ thu dòng / lá nhôm.
Trong khi chỉ khuấy trộn cơ học, chẳng hạn bằng cánh khuấy, không đủ để tách hiệu quả vật liệu catốt khỏi lá nhôm, xử lý bằng siêu âm cường độ cao cung cấp năng lượng hóa học siêu âm và cơ học siêu âm cần thiết để loại bỏ hoàn toàn vật liệu catốt khỏi các bộ thu dòng. Khác với khuấy cơ học, hiện tượng xâm thực siêu âm tạo ra các dòng rối mạnh, nhiệt độ và áp suất cao cục bộ, cũng như sự khuấy trộn, dòng chảy và các tia chất lỏng, giúp phá vỡ chất kết dính, ví dụ PVDF hoặc PTFE, liên kết catốt với lá Al, đồng thời làm xói mòn bề mặt của cả catốt và lá Al. Nhờ đó, chất kết dính giữa hai vật liệu được phá hủy triệt để, còn catốt và lá nhôm được tách riêng hiệu quả.
Ví dụ, quá trình tách bằng siêu âm đạt hiệu suất loại bỏ catốt cao ở mức 99% khi sử dụng N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) làm dung môi ở 70°C (công suất siêu âm 240 W và thời gian xử lý bằng siêu âm 90 min). Vì quá trình tách catốt bằng siêu âm phân tán vật liệu đồng đều và ngăn hình thành các khối kết tụ lớn hơn, quá trình hòa tách kim loại tiếp theo diễn ra thuận lợi hơn.
Đọc thêm về tách lớp điện cực bằng siêu âm để thu hồi vật liệu hoạt tính và lá thu dòng!

Hòa tách khoáng chất bằng siêu âm

Các hiệu ứng xâm thực siêu âm được mô tả ở trên cũng thúc đẩy quá trình hòa tách kim loại từ pin đã qua sử dụng. Xử lý siêu âm cường độ cao không chỉ được sử dụng để thu hồi khoáng chất trong tái chế pin mà còn thường được sử dụng trong thủy luyện và hòa tách quặng quý (ví dụ: bã thải khai khoáng). Nhiệt độ, áp suất và lực cắt cao tại các vùng cục bộ tăng cường quá trình hòa tách kim loại và nâng cao đáng kể hiệu suất hòa tách. Trong khi tại các điểm nóng xâm thực xuất hiện nhiệt độ cục bộ cực cao lên đến 1000 K, điều kiện hòa tách tổng thể chỉ cần nhiệt độ vừa phải, khoảng 50–60°C. Điều này giúp quá trình thu hồi kim loại bằng siêu âm tiết kiệm năng lượng và có tính kinh tế.
Quá trình hòa tách khoáng chất bằng siêu âm từ pin Li-ion đã qua sử dụng có đặc trưng là tỷ lệ thu hồi và hiệu suất cao. Ví dụ, axit sulfuric (H2SO4) đã được sử dụng thành công làm tác nhân hòa tách với sự có mặt của hydro peroxit (H2O2) trong quá trình thu hồi khoáng chất từ catốt bằng siêu âm. Hòa tách bằng siêu âm với axit sulfuric đạt tỷ lệ thu hồi lần lượt là 94,63% đối với coban và 98,62% đối với liti.
Hòa tách bằng siêu âm với axit hữu cơ citric (C6H8O7·H2O) đạt tỷ lệ thu hồi đồng và liti rất cao, thu hồi được 96% đồng và gần 100% liti từ pin Li-ion đã qua sử dụng.

Đơn giản và an toàn: Mở rộng quy mô xử lý siêu âm từ thử nghiệm tính khả thi đến tái chế công nghiệp

Thiết bị siêu âm hiệu năng cao để tái chế pin Li-ion luôn sẵn có để lắp đặt ở quy mô để bàn, thí điểm và công nghiệp. Vì tách catốt bằng siêu âm và hòa tách khoáng chất bằng siêu âm từ pin đã qua sử dụng đã là những quy trình được ứng dụng rộng rãi, nên quá trình từ những thử nghiệm đầu tiên, tối ưu hóa theo yêu cầu quy trình cụ thể của bạn đến lắp đặt hệ thống tách và/hoặc hòa tách bằng siêu âm ở quy mô công nghiệp hoàn chỉnh diễn ra nhanh chóng và đơn giản.
Đọc thêm về những ưu điểm của hòa tách bằng siêu âm trong tái chế pin bền vững và khai thác tài nguyên đô thị!

Thiết bị siêu âm hiệu năng cao để tái chế pin

Hielscher Ultrasonics cung cấp các thiết bị siêu âm hiệu năng cao với mọi kích thước và công suất xử lý. Với UIP16000 (16kW), Hielscher sản xuất thiết bị xử lý siêu âm mạnh nhất thế giới. UIP16000 cũng như tất cả các hệ thống siêu âm công nghiệp khác có thể dễ dàng được kết hợp thành cụm để đạt công suất xử lý cần thiết. Tất cả các thiết bị siêu âm Hielscher đều được chế tạo để vận hành 24/7 ở mức đầy tải và trong môi trường khắc nghiệt.
Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể tạo ra biên độ rất cao. Có thể dễ dàng duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7. Đối với biên độ cao hơn nữa, có sẵn các đầu công tác siêu âm được tùy chỉnh.

Đầu dò siêu âm và thiết bị phản ứng siêu âm cho mọi thể tích

Danh mục sản phẩm của Hielscher Ultrasonics bao quát toàn bộ các thiết bị xử lý siêu âm, từ thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn, các hệ thống để bàn và thí điểm đến thiết bị xử lý siêu âm hoàn toàn ở quy mô công nghiệp có khả năng xử lý nhiều xe tải nguyên liệu mỗi giờ. Danh mục sản phẩm đầy đủ cho phép chúng tôi cung cấp cho bạn thiết bị siêu âm phù hợp nhất với ứng dụng, công suất xử lý và mục tiêu sản xuất của bạn.

Biên độ có thể kiểm soát chính xác để đạt kết quả tối ưu

Tất cả các thiết bị xử lý siêu âm Hielscher đều có thể được điều khiển chính xác, nhờ đó trở thành công cụ làm việc đáng tin cậy trong nghiên cứu và phát triển cũng như sản xuất. Biên độ là một trong những thông số quy trình then chốt ảnh hưởng đến hiệu suất và hiệu quả của các phản ứng được kích hoạt bằng tác động hóa học và cơ học của siêu âm. Tất cả các thiết bị xử lý của Hielscher Ultrasonics đều cho phép thiết lập biên độ chính xác. Đầu sonotrode và bộ khuếch đại biên độ là những phụ kiện cho phép điều chỉnh biên độ trong phạm vi rộng hơn nữa. Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher có thể tạo ra biên độ rất cao và cung cấp cường độ siêu âm cần thiết cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe. Có thể dễ dàng duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7.
Việc thiết lập biên độ chính xác và giám sát liên tục các thông số quy trình siêu âm bằng phần mềm thông minh cho phép bạn tách catốt khỏi lá nhôm cũng như hòa tách khoáng chất và kim loại từ pin Li-ion đã qua sử dụng trong điều kiện siêu âm hiệu quả nhất. Xử lý siêu âm tối ưu để tái chế pin Li-ion với hiệu suất cao nhất!
Độ bền của các thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 ở chế độ làm việc nặng và trong môi trường khắc nghiệt. Nhờ đó, các thiết bị siêu âm Hielscher trở thành công cụ làm việc đáng tin cậy, đáp ứng các yêu cầu của quy trình tái chế của bạn.

Chất lượng cao nhất – Được thiết kế và sản xuất tại Đức

Là doanh nghiệp do gia đình sở hữu và điều hành, Hielscher ưu tiên các tiêu chuẩn chất lượng cao nhất cho các thiết bị xử lý siêu âm của mình. Tất cả các thiết bị siêu âm đều được thiết kế, sản xuất và kiểm tra kỹ lưỡng tại trụ sở chính của chúng tôi ở Teltow, gần Berlin, Đức. Độ bền và độ tin cậy của thiết bị siêu âm Hielscher khiến chúng trở thành công cụ làm việc bền bỉ trong hoạt động sản xuất của bạn. Vận hành 24/7 ở mức toàn tải và trong môi trường khắc nghiệt là đặc tính vốn có của các đầu dò và thiết bị phản ứng siêu âm hiệu suất cao của Hielscher.

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

Những thông tin đáng biết

Pin lithium-ion là gì?

Pin lithium-ion, còn gọi là pin Li-ion, là một loại pin có thể sạc lại. So với pin nền chì và niken, các thiết bị lithium-ion sử dụng catốt, anốt và chất điện phân làm chất dẫn điện.
Giống như tất cả các loại pin, pin Li-ion lưu trữ năng lượng hóa học, sau đó chuyển đổi năng lượng này thành điện năng để cung cấp điện tích tĩnh nhằm cấp điện.
Pin lithium-ion thường được sử dụng cho các thiết bị điện tử di động như máy tính xách tay, điện thoại thông minh cũng như xe điện. Việc ứng dụng pin Li-ion cũng ngày càng thu hút sự quan tâm của quân đội và các công ty hàng không vũ trụ.