Snabbuppvärmningsteknik utvinner värdefulla metaller från batteriavfall snabbt och billigt – Physics World

Snabbuppvärmningsteknik utvinner värdefulla metaller från batteriavfall snabbt och billigt – Physics World

Tidsstämpel: 8 november 2023 4:42

Jinhang Chen (vänster) och James Tour
Medlemmar i laget: Jinhang Chen (till vänster) och James Tour. Med tillstånd: Jeff Fitlow/Rice University)

Ett kostnadseffektivt nytt sätt att återvinna metaller direkt från litiumjonbatteriavfall kan avsevärt minska miljöpåverkan från dessa allestädes närvarande enheter samtidigt som den tid som krävs för att återvinna dem nästan 100 gånger minskas. Tekniken, som utvecklats av forskare vid Rice University i USA, är känd som flash Joule-uppvärmning, och den har redan använts för att återvinna värdefulla metaller från andra former av elektroniskt avfall utan giftiga lösningsmedel och med mindre energi än nuvarande laboratoriemetoder.

"För närvarande återvinns inte 95 % av batterierna eftersom vi inte har kapacitet att återvinna dem, även om avfallet från elektronik ökar med en årlig takt på 9 %", säger James turné, nanoforskaren Rice som ledde projektet. Den senaste tidens popularitet för elbilar gör problemet mer brådskande, tillägger han: "Batterier i elfordon håller i cirka 10 år, och många av dem kommer nu, eftersom det har gått cirka 10 år som vi har använt dem."

Förbrukade batterier som inte återvinns hamnar för det mesta på deponi, liksom många andra former av elektroniskt avfall (e-avfall). Detta är dåligt för miljön, eftersom e-avfall ofta innehåller tungmetaller, inklusive några som är giftiga. Det är också en missad kommersiell möjlighet, eftersom e-avfall i princip kan vara en viktig och hållbar källa till ädelmetaller som rodium, palladium, silver och guld samt mindre kostsamma grundämnen som krom, kadmium, bly och kvicksilver.

Problemet är att metoderna för återvinning av e-avfall är långt ifrån perfekta. De vanligaste är baserade på pyrometallurgi, som går ut på att skapa en smält soppa av metaller vid höga temperaturer. Dessa metoder saknar selektivitet, är energikrävande och producerar farliga, tungmetallhaltiga ångor, särskilt när avfallet innehåller metaller med relativt låga smältpunkter som kvicksilver, kadmium eller bly.

Andra tekniker använder hydrometallurgi, vilket innebär att metaller urlakas ur e-avfall med hjälp av syror, baser eller cyanid. Även om dessa metoder är mer selektiva producerar de stora mängder flytande eller slamigt avfall och involverar kemiska reaktioner som är kinetiskt långsamma och därmed svåra att skala upp. "Många nuvarande batteriåtervinningsprocesser involverar användningen av mycket starka syror, och dessa tenderar att vara röriga, besvärliga processer", konstaterar Tour.

Ytterligare ett alternativ, biometallurgi, separerar metaller genom att utnyttja naturliga biologiska processer i mikroorganismer, men denna lovande familj av tekniker är fortfarande i sin linda.

Borta blixtsnabbt

År 2020 utvecklade Tour och hans kollegor på Rice ett sätt att producera grafen från kolkällor som matavfall och plast. Senare anpassade de denna flash Joule uppvärmningsmetod till återvinna ädelmetaller från e-avfall och ta bort giftiga från det återstående materialet.

Tekniken fungerar eftersom ångtrycket hos metaller i e-avfall skiljer sig mycket från andra avfallskomponenter som kol, keramik och glas. I en process som kallas evaporativ separation, förångar forskarna dessa metaller i en flashkammare genom att applicera en intensiv strömpuls som varar mindre än 1 sekund, vilket värmer upp avfallet till 3400 K.

Ångorna transporteras sedan under vakuum från flashkammaren till en köldfälla där de kondenserar till sina beståndsdelar, förklarar teammedlemmen Bing Deng. Metallblandningen i fällan kan sedan renas ytterligare med hjälp av etablerade raffineringsmetoder.

Aktiverar den svarta massan

I sin senaste studie utvidgade Tour och kollegor denna process till den så kallade svarta massan, som är det kombinerade avfallet som kommer från katoden och anoden i litiumjonbatterier. Med hjälp av Joule-uppvärmningsmetoden värmde teamet upp den svarta massan till temperaturer över 2100 K inom några sekunder. Denna ultrasnabba högtemperaturbehandling tar bort det inerta lagret på batterimetallerna samtidigt som den sänker den svarta massans oxidationstillstånd, vilket gör att den kan lösas i en utspädd syra.

"Vad vi fann är att om du "flashar" den svarta massan, kan du enkelt separera de kritiska metallerna med endast lågkoncentrerad saltsyra, förklarar Tour. "Man kan säga att blixten frigör metallerna, så att de löses upp lättare. Vi använder fortfarande syra, men mycket mindre."

Med den här metoden återvann teamet mer än 98 % av metallen från olika typer av blandat batteriavfall. Att lösa upp avfallet tar dessutom mindre än 20 minuter, till skillnad från 24 timmar med traditionella metoder.

"Industrien försöker traditionellt återvinna den svarta massan, men nuvarande återvinningsstrategier begränsas av de komplexa behandlingsprocedurerna såväl som den betydande energiförbrukningen och CO2 utsläpp”, säger teammedlem Weiyin Chen. "Det viktigaste resultatet av vår process är att minska syraanvändningen med 10 gånger och tidsåtgången med 100 gånger under återvinningen."

Risforskarna säger att de nu försöker skala upp sin återvinningsteknik. "Vi har redan visat återhämtning på kilogramnivå i vårt labb och flash-Joule-processen kan förmodligen integreras i ett kontinuerligt system i framtiden," säger Chen Fysikvärlden.

De beskriver sitt arbete i Vetenskap Förskott.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden