Использование XRF-анализаторов при переработке аккумуляторов

Поскольку спрос на электромобили во всем мире растет, растет и потребность в высокопроизводительных литий-ионных батареях (LIB).

Хотя LIB играют важную роль в переходе к более устойчивым источникам энергии, в конце срока службы ими необходимо ответственно управлять. Правильная переработка аккумуляторов способствует развитию экономики замкнутого цикла, при которой материалы аккумуляторов продолжают использоваться для сокращения отходов и загрязнения. Извлеченные материалы можно перерабатывать в новые батареи или использовать для других целей, что снижает необходимость в добыче сырья для использования в новом производстве. Портативная рентгенофлуоресцентная технология (XRF) может помочь в эффективном восстановлении ценных металлов из батарей с истекшим сроком службы. 

Многие технологии используют LIB в качестве источника питания. Анализ показывает, что к 2027 году объем мирового рынка вырастет примерно до 88 миллиардов, согласно данным AIMS Clean Technologies and Recycling Vol.1, Issue 2. Автомобильная промышленность является одним из ведущих коммерческих драйверов увеличения использования LIB. У каждого производителя автомобилей есть линейка электромобилей (EV), которые появятся на дорогах в ближайшие несколько лет, если они не находятся на дорогах в настоящее время. Портативные электронные устройства, такие как ноутбуки и мобильные телефоны, также используют LIB для питания. Можно с уверенностью сказать, что ЛИБы широко распространены в обществе и будут играть еще большую роль в будущем.

Обратной стороной ЛИА является то, что они, как и ископаемое топливо, производятся из ограниченных ресурсов, включая кобальт, никель, марганец и литий (Li). Хорошей новостью является то, что эти минералы могут быть переработаны, и это ключ к устойчивому развитию. В отличие от ископаемого топлива, которое в ходе реакции горения превращается в углекислый газ и воду, большинство минералов, содержащихся в батареях, химически не изменяются, поэтому их можно извлечь и переработать для повторного использования. Методы переработки этих материалов будут иметь первостепенное значение для поддержания отраслей, возникших в результате бума аккумуляторов. Основной проблемой переработки является эффективная переработка отработанных батарей.

Проблемы переработки аккумуляторов

Для производства аккумуляторов не установлено единого стандарта, что приводит к появлению на рынке большого разнообразия конструкций аккумуляторов и материалов для аккумуляторов. Некоторые батареи оптимизированы по плотности мощности, другие по плотности энергии, а третьим необходим тонкий баланс между ними. Такое разнообразие означает, что химические компоненты, используемые в батареях, будут сильно различаться в зависимости от того, как они используются. Химический состав материала аккумулятора определяет наилучший способ его переработки во время переработки.

Материал батареи, который подвергается переработке, обычно называют черной массой, и он представляет собой матрицу из активного материала катода и активного материала анода. Основными элементами черной массы являются графитовый углерод, литий, кобальт, никель, марганец, железо и алюминий.

Наиболее практичный способ разделения компонентов зависит от стоимости и возможности образования лишних отходов. Два распространенных метода — пирометаллургический и гидрометаллургический — имеют свои плюсы и минусы. Пиро-метод предполагает сжигание черной массы, в результате чего ненужные материалы сгорают, оставляя после себя желательные металлы. Это противоречит концепциям многоразового и возобновляемого использования, поскольку цель состоит в том, чтобы сэкономить как можно больше и уменьшить количество выбросов CO2 в атмосферу. Гидрометаллургический метод также может увеличить выбросы углекислого газа за счет образования сточных вод, которые необходимо перерабатывать.

Использование XRF при переработке аккумуляторов

XRF — это инструмент, используемый для точного определения химического состава образца при минимальной подготовке образца. Большинство систем надежно измеряют элементы от магния до урана за считанные секунды. Однако Li и углерод являются двумя основными компонентами ЛИА, которые нельзя измерить напрямую с помощью XRF.

Доказано, что в качестве инструмента XRF легко идентифицирует и сортирует материалы по определенным маркам или химическому составу в промышленности по переработке металлов. Ручной XRF широко используется для извлечения драгоценных металлов (например, платины, палладия и родия) из отработанных каталитических нейтрализаторов. XRF будет делать то же самое в процессе переработки аккумуляторов, предлагая возможность сортировки различных материалов аккумуляторов, поступающих на предприятия. Это дает несколько преимуществ. Во-первых, если вы отправляете грузы на перерабатывающий завод, знание анализа — а, следовательно, и стоимости — каждой партии поможет вам гарантировать, что вам правильно заплатят за истинное содержание металла. Если вы получаете известные или неизвестные партии черной массы, XRF-анализ позволяет процессору смешивать партии для оптимального извлечения. Наконец, знание химического состава материала помогает обеспечить, чтобы материалы прошли правильный химический процесс, поскольку многие методы экстракции чувствительны к небольшим изменениям в химическом составе.

Некоторые существующие аналитические методы, используемые при переработке аккумуляторов, требуют преобразования материалов из твердой фазы в водную фазу путем деструктивного расщепления. После переваривания не весь материал мог перейти в раствор. Если все попадет в раствор, некоторые элементы будут в высоких концентрациях, а другие в низких. Большинство аналитических инструментов, используемых в этом процессе, весьма чувствительны и могут работать только с очень разбавленными концентрациями, что требует значительного разбавления при проведении измерений с водной средой. С другой стороны, XRF позволяет анализировать материалы в твердом состоянии без необходимости разбавления и с минимальной подготовкой проб. Этот метод также является неразрушающим, поэтому образцы материалов можно хранить неопределенно долго. Главное требование – чтобы твердый материал был максимально однородным. Если элементы присутствуют в образце в обнаруживаемых пределах, XRF определит их количество. 

В быстро меняющейся и высокопроизводительной среде, такой как промышленность по переработке вторичного сырья, внесение динамических изменений в режиме реального времени делает процессы более эффективными. Для химического анализа ни одна другая система не требует от пользователя так мало усилий и при этом не дает точных результатов, как XRF. XRF-анализатор предоставляет данные лабораторного качества за считанные минуты при минимальной подготовке проб. В непрерывном рабочем процессе можно использовать поточный XRF для мониторинга концентрации элементов в режиме реального времени по мере перемещения материала на протяжении всего процесса. Скорость и простота использования делают XRF ценным аналитическим и производственным инструментом. При правильном использовании рентгеновские анализаторы очень безопасны, поскольку рентгеновские лучи имеют низкую интенсивность, сфокусированы и генерируются только во время измерений.

Сегодня многие компании используют XRF для применения черной массы. Благодаря своей универсальности, XRF-анализаторы также используются на начальном этапе производства батарей для определения состава анода и катода, толщины пленки и множества других химических анализов, важных для инженеров по батареям. Если вы хотите узнать химический состав материала, есть большая вероятность, что XRF сможет предоставить его точно.

Подобно швейцарскому армейскому ножу, в любой отрасли доступно множество применений XRF. При переработке аккумуляторов XRF может стать бесценным инструментом для успешной переработки аккумуляторов.

Маркус С. Джонсон, доктор философии, является специалистом по применению XRF

Источник: https://www.recyclingtoday.com/news/using-xrf-analyzers-in-battery-recycling/