Các công nghệ tái chế và xử lý pin lithium là gì?

Nghiên cứu và dữ liệu mới nhất cho thấy rằng mặc dù tốc độ tái chế của các vật liệu khác như lithium và coban sẽ tăng đáng kể trong vài năm tới, nhưng không nên đánh giá thấp tiềm năng sẵn có của pin "Đời thứ hai".
Đến năm 2030, hơn 1,2 triệu tấn pin lithium-ion bị loại bỏ sẽ được tái chế trên thế giới.” Đến lúc đó, lượng lithium có thể tái chế có thể được sử dụng trong chuỗi cung ứng pin toàn cầu sẽ tương đương với một nửa sản lượng khai thác lithium hiện tại và đến năm 2030, lượng coban có thể tái chế sẽ tương đương với khoảng một phần tư số tiền hiện tại. Dự kiến, Trung Quốc sẽ thống trị công việc tái chế lithium và có thể chiếm khoảng 57% lượng chất thải pin lithium vào năm 2030, vì vậy Trung Quốc cũng có thể đưa ra chính sách tái chế "Nghiêm ngặt hơn".

Quy trình tái chế pin lithium-ion đã qua sử dụng chủ yếu bao gồm tiền xử lý, xử lý thứ cấp và xử lý nâng cao. Do vẫn còn một ít điện năng trong pin thải nên quy trình tiền xử lý bao gồm quy trình phóng điện sâu, nghiền và phân loại vật lý; mục đích của xử lý thứ cấp là để đạt được sự tách biệt hoàn toàn các vật liệu hoạt động tích cực và tiêu cực khỏi chất nền. Xử lý nhiệt và hòa tan dung môi hữu cơ thường được sử dụng. , Phương pháp hòa tan dung dịch kiềm và phương pháp điện phân để đạt được sự phân tách hoàn toàn của hai chất này; xử lý tiên tiến chủ yếu bao gồm hai quá trình lọc và tách và tinh chế để chiết xuất các vật liệu kim loại có giá trị. Theo phân loại của quy trình khai thác, các phương pháp tái chế pin có thể được chia thành ba loại: tái chế khô, tái chế ướt và tái chế sinh học.

1. Tái chế khô

Thu hồi khô đề cập đến việc thu hồi trực tiếp vật liệu hoặc kim loại có giá trị mà không sử dụng phương tiện như dung dịch. Trong số đó, các phương pháp quan trọng được sử dụng là tách vật lý và nhiệt phân ở nhiệt độ cao.

(1) Phương pháp phân loại vật lý

Phương pháp tách vật lý đề cập đến việc tháo rời và tách pin, và các bộ pin như vật liệu hoạt động điện cực, bộ thu dòng điện và vỏ pin bị hỏng, sàng lọc, tách từ tính, nghiền mịn và phân loại được thực hiện để thu được hàm lượng cao có giá trị vật liệu xây dựng . Shin et al. đề xuất một phương pháp thu hồi Li và Co từ chất lỏng thải của pin lithium-ion bằng cách sử dụng axit sunfuric và hydro peroxide, bao gồm hai quá trình: tách vật lý các hạt chứa kim loại và lọc hóa học. Trong số đó, quá trình tách vật lý bao gồm nghiền, sàng lọc, tách từ tính, nghiền mịn và phân loại. Thí nghiệm sử dụng một nhóm máy nghiền lưỡi quay và cố định để nghiền, sử dụng các màn hình có khẩu độ khác nhau để phân loại vật liệu nghiền và sử dụng tách từ tính để xử lý thêm nhằm chuẩn bị cho quá trình lọc hóa chất tiếp theo.

Dựa trên công nghệ nghiền và quá trình lọc nước được phát triển bởi Zhang và cộng sự, Lee và cộng sự, và Saeki và cộng sự, Shu và cộng sự. đã phát triển một phương pháp mới để thu hồi coban và lithium từ chất thải pin lithium-lưu huỳnh bằng phương pháp cơ hóa. Phương pháp này sử dụng một máy nghiền bi hành tinh để cùng nghiền oxit liti coban (LiCoO2) và polyvinyl clorua (PVC) trong không khí để tạo thành Co và liti clorua (LiCl) theo cách cơ hóa. Sau đó, sản phẩm đã xay được phân tán trong nước để chiết xuất clorua. Mài thúc đẩy các phản ứng cơ hóa. Khi quá trình nghiền diễn ra, hiệu suất chiết xuất của Co và Li đều được cải thiện. Nghiền trong 30 phút dẫn đến việc thu hồi hơn 90% Co và gần 100% lithium. Đồng thời, khoảng 90% clo trong mẫu PVC đã được chuyển thành clorua vô cơ.

Hoạt động của phương pháp tách vật lý tương đối đơn giản, nhưng không dễ để tách hoàn toàn pin lithium-ion và dễ bị mất lực cuốn cơ học trong quá trình sàng và tách từ tính, và rất khó để tách và phục hồi hoàn toàn kim loại.

(2) Phương pháp nhiệt phân ở nhiệt độ cao

Phương pháp nhiệt phân ở nhiệt độ cao đề cập đến quá trình nhiệt phân nhiệt độ cao của vật liệu pin lithium-ion đã trải qua quá trình nghiền vật lý và các phương pháp xử lý tách sơ bộ khác, đồng thời loại bỏ chất kết dính hữu cơ, do đó tách các vật liệu cấu thành của pin lithium-ion. Đồng thời, kim loại và các hợp chất của nó trong pin lithium-ion có thể bị oxy hóa, khử và phân hủy, bay hơi dưới dạng hơi nước, sau đó được thu thập bằng các phương pháp như ngưng tụ.

Lee và cộng sự. đã sử dụng phương pháp nhiệt phân ở nhiệt độ cao khi điều chế LiCoO2 từ pin lithium-ion phế thải. Lee và cộng sự. xử lý nhiệt đầu tiên mẫu LIB trong lò múp ở 100-150°C trong 1 giờ. Thứ hai, pin được xử lý nhiệt được cắt nhỏ để giải phóng vật liệu điện cực. Các mẫu được tách rời bằng máy nghiền tốc độ cao được thiết kế đặc biệt cho nghiên cứu này và được phân loại theo kích thước, từ 1 đến 50 mm. Sau đó, xử lý nhiệt hai bước được thực hiện trong lò, xử lý nhiệt đầu tiên được thực hiện ở 100-500°C trong 30 phút và xử lý nhiệt thứ hai được thực hiện ở 300-500°C trong 1 giờ. Vật liệu điện cực được giải phóng khỏi bộ thu dòng thông qua sàng lọc rung động. Tiếp theo, bằng cách đốt cháy ở nhiệt độ 500 đến 900° C. trong 0,5 đến 2 giờ, carbon và chất kết dính bị đốt cháy để thu được vật liệu hoạt động catốt LiCoO2. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy carbon và chất kết dính bị đốt cháy ở 800°C.

Phương pháp nhiệt phân nhiệt độ cao có công nghệ xử lý đơn giản, vận hành thuận tiện, tốc độ phản ứng nhanh trong môi trường nhiệt độ cao, hiệu quả cao và có thể loại bỏ chất kết dính một cách hiệu quả; và phương pháp này không yêu cầu các thành phần nguyên liệu thô cao và phù hợp hơn để xử lý số lượng lớn hoặc pin phức tạp hơn. Tuy nhiên, phương pháp này có yêu cầu cao hơn về thiết bị; trong quá trình xử lý, các chất hữu cơ trong pin bị phân hủy và xuất hiện các khí độc hại, không thân thiện với môi trường. Cần bổ sung thiết bị thanh lọc và thu hồi để hấp thụ và thanh lọc khí độc hại nhằm ngăn ngừa ô nhiễm thứ cấp. Do đó, chi phí xử lý của phương pháp này tương đối cao.

2. Tái chế ướt

Quy trình tái chế ướt là nghiền nát và hòa tan pin thải, sau đó sử dụng thuốc thử hóa học phù hợp để tách có chọn lọc các nguyên tố kim loại trong dung dịch lọc để tạo ra kim loại coban cao cấp hoặc lithium cacbonat, v.v., được tái chế trực tiếp. Quy trình tái chế ướt phù hợp hơn để tái chế pin lithium-ion phế thải có thành phần hóa học tương đối đơn lẻ, chi phí đầu tư thiết bị thấp, phù hợp để thu hồi pin lithium-ion phế thải quy mô vừa và nhỏ. Do đó, phương pháp này hiện đang được sử dụng rộng rãi.

(1) Phương pháp lọc axit-kiềm

Vì vật liệu điện cực dương của pin lithium ion sẽ không hòa tan trong dung dịch kiềm và lá nhôm cơ bản sẽ hòa tan trong dung dịch kiềm, nên phương pháp này thường được sử dụng để tách lá nhôm. Zhang Yang và cộng sự. sử dụng phương pháp lọc kiềm để loại bỏ nhôm trước khi thu hồi Co và Li trong ắc quy, sau đó ngâm vào dung dịch axit loãng để phá hủy sự kết dính của chất hữu cơ và lá đồng. Tuy nhiên, phương pháp lọc kiềm không thể loại bỏ hoàn toàn PVDF, điều này có ảnh hưởng xấu đến quá trình lọc tiếp theo.

Hầu hết các vật liệu hoạt động của điện cực dương trong pin lithium ion có thể được hòa tan trong axit, do đó, vật liệu điện cực được xử lý trước có thể được lọc bằng dung dịch axit để tách vật liệu hoạt động khỏi bộ thu dòng, sau đó kết hợp nguyên tắc phản ứng trung hòa với mục tiêu kim loại Tiến hành kết tủa và tinh chế, để đạt được mục đích thu hồi các thành phần có độ tinh khiết cao.

Dung dịch axit được sử dụng trong phương pháp lọc axit bao gồm các axit vô cơ truyền thống, bao gồm axit clohydric, axit sunfuric và axit nitric. Tuy nhiên, trong quá trình ngâm rửa bằng axit vô cơ mạnh thường sinh ra các khí độc hại như clo (Cl2) và lưu huỳnh trioxit (SO3) gây ảnh hưởng đến môi trường. Do đó, các nhà nghiên cứu cố gắng sử dụng axit hữu cơ để thải bỏ pin lithium-ion đã qua sử dụng, chẳng hạn như chanh. Axit, axit oxalic, axit malic, axit ascorbic, glycine, v.v. Li và những người khác sử dụng axit clohydric để hòa tan và phục hồi các điện cực. Do hiệu quả của quá trình lọc axit có thể bị ảnh hưởng bởi nồng độ ion hydro (H+), nhiệt độ, thời gian phản ứng và tỷ lệ rắn-lỏng (S/L), để tối ưu hóa các điều kiện vận hành của quá trình lọc axit, một thí nghiệm được thiết kế để khám phá thời gian phản ứng và nồng độ H+ Và nhiệt độ. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy khi nhiệt độ là 80℃, nồng độ H+ là 4mol/L, thời gian phản ứng là 2h và hiệu suất lọc là cao nhất. Trong số đó, 97% Li và 99% Co trong vật liệu điện cực bị hòa tan. Zhou Tao et al. đã sử dụng axit malic làm chất lọc và hydro peroxide làm chất khử để giảm quá trình lọc vật liệu hoạt động điện cực dương thu được từ quá trình tiền xử lý và nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng khác nhau đến tốc độ lọc của Li, Co, Ni và Mn trong dung dịch lọc axit malic để phát Tìm điều kiện phản ứng tốt nhất. Dữ liệu nghiên cứu cho thấy khi nhiệt độ là 80oC, nồng độ axit malic là 1,2mol/L, tỷ lệ thể tích chất lỏng-lỏng là 1,5%, tỷ lệ chất lỏng-rắn là 40g/L và thời gian phản ứng là 30 phút, hiệu suất ngâm chiết bằng axit malic là cao nhất. Trong số đó, Li, Tỷ lệ rửa trôi của Co, Ni và Mn lần lượt đạt 98,9%, 94,3%, 95,1% và 96,4%. Tuy nhiên, so với axit vô cơ, chi phí lọc bằng axit hữu cơ cao hơn.

(2) Phương pháp chiết xuất bằng dung môi hữu cơ

Phương pháp chiết xuất dung môi hữu cơ sử dụng nguyên tắc tương thích tương tự và sử dụng dung môi hữu cơ phù hợp để hòa tan vật lý chất kết dính hữu cơ, do đó làm suy yếu độ bám dính giữa vật liệu và lá mỏng và tách hai chất này ra.

Cuộc thi et al. đã sử dụng N-methylpyrrolidone (NMP) để phân tách có chọn lọc các thành phần nhằm phục hồi tốt hơn vật liệu hoạt động của điện cực khi tái chế pin oxit lithium coban. NMP là một dung môi tốt cho PVDF (độ hòa tan khoảng 200g/kg), và điểm sôi của nó tương đối cao, khoảng 200°C. Nghiên cứu sử dụng NMP để xử lý vật liệu hoạt tính ở nhiệt độ khoảng 100°C trong 1 giờ, giúp thực hiện hiệu quả việc tách màng và chất mang của nó, và do đó, chỉ cần lọc nó ra khỏi dung dịch NMP (N-methylpyrrolidone), kim loại dạng Cu được thu hồi. Và Al. Một ưu điểm khác của phương pháp này là các kim loại Cu và Al thu hồi có thể được tái sử dụng trực tiếp sau khi được làm sạch đầy đủ. Ngoài ra, NMP thu hồi có thể được tái chế. Do khả năng hòa tan cao trong PVDF, nó có thể được tái sử dụng nhiều lần. Trương và cộng sự. đã sử dụng axit trifluoroacetic (TFA) để tách vật liệu cực âm ra khỏi lá nhôm khi tái chế chất thải cực âm cho pin lithium-ion. Pin lithium ion thải được sử dụng trong thí nghiệm sử dụng polytetrafluoroetylen (PTFE) làm chất kết dính hữu cơ và ảnh hưởng của nồng độ TFA, tỷ lệ chất lỏng trên chất rắn (L/S), nhiệt độ và thời gian phản ứng đối với hiệu quả phân tách của vật liệu cực âm và lá nhôm được nghiên cứu một cách có hệ thống. . Kết quả thí nghiệm cho thấy trong dung dịch TFA có phần trăm khối lượng là 15, tỷ lệ chất lỏng trên chất rắn là 8,0 mL/g và nhiệt độ phản ứng là 40°C, phản ứng trong 180 phút dưới sự khuấy trộn thích hợp, vật liệu catốt có thể được tách biệt hoàn toàn.

Các điều kiện thí nghiệm sử dụng chiết xuất dung môi hữu cơ để tách vật liệu và lá tương đối nhẹ, nhưng dung môi hữu cơ có độc tính nhất định và có thể gây hại cho sức khỏe của người vận hành. Đồng thời, do các nhà sản xuất pin lithium-ion khác nhau có quy trình sản xuất khác nhau nên việc lựa chọn chất kết dính cũng khác nhau. Do đó, đối với các quy trình sản xuất khác nhau, các nhà sản xuất nên chọn các dung môi hữu cơ khác nhau khi tái chế pin lithium-ion thải. Ngoài ra, chi phí cũng là một cân nhắc quan trọng đối với các hoạt động tái chế quy mô lớn ở cấp độ công nghiệp. Do đó, việc chọn dung môi có nguồn gốc phong phú, giá thành hợp lý, ít độc, vô hại và khả năng ứng dụng rộng rãi là rất quan trọng.

Trong tương lai, JUNLEE Energy, công ty đã cam kết nghiên cứu và phát triển pin, là một thách thức và một cơ hội. Đội ngũ kỹ sư R&D sẽ cung cấp cho thế giới loại pin năng lượng mới tiết kiệm hơn và sẽ cải tiến công nghệ pin lithium-ion để giảm tổng chi phí.

Tập đoàn JUNLEE là một nhà máy năng lượng tích hợp đầy đủ năng lượng, chuyên cung cấp Bộ lưu điện liên tục (UPS), Ắc quy axit-chì, Bộ ắc quy, Ắc quy xe điện, Ắc quy lưu trữ năng lượng, Nhà máy lưu trữ năng lượng, ắc quy Power pack Gel, Biến tần PV và Hệ thống năng lượng mặt trời.

Năng lực sản xuất đạt 200000 KVAH mỗi tháng. Sản phẩm áp dụng cho Xe điện, di động điện, hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời và gió, UPS, điện dự phòng, viễn thông, thiết bị y tế và chiếu sáng.

JUNLEE thành lập "Trung tâm nghiên cứu năng lượng" với nhiều sản phẩm Công nghệ cao hơn. Hơn 100 kỹ sư đã cung cấp các giải pháp một cửa kịp thời và hiệu quả.
Sứ mệnh của họ là phấn đấu mang lại nguồn năng lượng xanh cho thế giới.
Để tìm hiểu thêm về pin Li-ion, vui lòng tham khảo https://www.junleepower.com/