[การวิเคราะห์ SMM] ทีมอินโดนีเซีย, การรีไซเคิลลิเธียมแบตเตอรี่แบบผสม, การปรับปรุงกระบวนการและประสิทธิภาพ

SMM ข่าววันที่ 21 กุมภาพันธ์:

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยกาจาห์ มาดาในอินโดนีเซียและสถาบันอื่นๆ กำลังมุ่งเน้นการสำรวจวิธีการใหม่ๆ ในการสกัดลิเธียมจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่หมดอายุ นักวิจัยประสบความสำเร็จในการสกัดลิเธียมได้ถึง 95.7% ด้วยความเลือกเฟ้น 100% จากแบตเตอรี่เทอร์นารี โดยใช้กระบวนการรีดักชันด้วยคาร์โบเทอร์มอลร่วมกับการชะล้างด้วยน้ำในสภาวะบรรยากาศ

ปัจจุบัน ตลาดรถยนต์ไฟฟ้าทั่วโลกยังคงขยายตัว และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสองประเภทครองตลาด ได้แก่ แบตเตอรี่เทอร์นารีที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงและเหมาะสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าระยะไกล และแบตเตอรี่ LFP ที่มีความปลอดภัยสูง เสถียรภาพดี และคุ้มค่า อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบที่ซับซ้อนและหลากหลายของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่หมดอายุสร้างความท้าทายสำคัญต่อการรีไซเคิล โดยเฉพาะความแตกต่างขององค์ประกอบระหว่างแบตเตอรี่เทอร์นารีและ LFP ยิ่งเพิ่มความซับซ้อนในกระบวนการรีไซเคิล การศึกษานี้มุ่งเน้นการใช้การชะล้างด้วยน้ำในสภาวะบรรยากาศเพื่อสกัดลิเธียมจากมวลดำของแบตเตอรี่เทอร์นารีอย่างเลือกเฟ้น เพื่อตอบโจทย์ความท้าทายสำคัญในกระบวนการรีไซเคิล

นักวิจัยเก็บตัวอย่างขั้วบวกของแบตเตอรี่เทอร์นารีและ LFP ที่หมดอายุจากแหล่งรีไซเคิลในท้องถิ่น และสกัดมวลดำเป็นวัสดุหลักสำหรับการประมวลผล จากนั้นดำเนินการรีดักชันด้วยคาร์โบเทอร์มอลกับมวลดำผสมต่างๆ (ตั้งแต่เทอร์นารีบริสุทธิ์จนถึงอัตราส่วน 50:50 ของเทอร์นารีและ LFP โดยตั้งอุณหภูมิการประมวลผลระหว่าง 750-950°C) และทดสอบที่อัตราการให้ความร้อน 5°C, 10°C และ 15°C ต่อนาที หลังจากการรีดักชันด้วยคาร์โบเทอร์มอล ดำเนินการชะล้างด้วยน้ำกับมวลดำเพื่อประเมินประสิทธิภาพการสกัดลิเธียม

เพื่อวิเคราะห์กระบวนการอย่างลึกซึ้ง นักวิจัยใช้วิธีการวิเคราะห์ต่างๆ การตรวจสอบองค์ประกอบธาตุใช้สเปกโตรสโคปีการปล่อยแสงแบบพลาสมาควบคู่ การตรวจสอบเฟสและองค์ประกอบใช้การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ การศึกษาลักษณะพื้นผิวและการกระจายตัวของธาตุใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนและสเปกโตรสโคปีรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน การสำรวจกลุ่มฟังก์ชันในสารประกอบใช้สเปกโตรสโคปีรามาน และการวิเคราะห์เทอร์โมกราวิเมตริกดำเนินการในช่วงอุณหภูมิ 30-1,200°C เพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงความร้อนและมวลในกระบวนการรีดักชันด้วยคาร์โบเทอร์มอลแบบเรียลไทม์

การศึกษาพบว่าอัตราการให้ความร้อนในกระบวนการรีดักชันด้วยคาร์โบเทอร์มอลส่งผลต่ออัตราการสกัดลิเธียมในกระบวนการชะล้างด้วยน้ำอย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะอัตราการสกัดลิเธียมลดลงเมื่ออัตราการให้ความร้อนเพิ่มขึ้น โดยอัตราการสกัดสูงสุด 92.06±0.42% ได้รับที่อัตราการให้ความร้อน 5°C/นาที เนื่องจากอัตราการให้ความร้อนที่สูงขึ้นทำให้เกิดความไม่สม่ำเสมอในปฏิกิริยาการรีดักชัน ส่งผลให้เกิดการกระจายอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอในอนุภาคและการก่อตัวของสารประกอบลิเธียมที่ไม่ละลายน้ำ

อุณหภูมิเป้าหมายยังส่งผลต่อประสิทธิภาพของการรีดักชันด้วยคาร์โบเทอร์มอล เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อัตราการสกัดลิเธียมมีแนวโน้มลดลง แม้ว่าการวิเคราะห์เทอร์โมกราวิเมตริกจะแสดงให้เห็นว่าการรีดักชันของโลหะเพิ่มขึ้นที่อุณหภูมิสูง แต่ลิเธียมกลับฝังตัวในเฟสโลหะผสม Ni-Co ที่ก่อตัวขึ้นที่อุณหภูมิเหล่านี้ ส่งผลให้อัตราการสกัดลิเธียมลดลง ผลการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ยังยืนยันการมีอยู่ของเฟสโลหะผสมเหล่านี้ ซึ่งขัดขวางการสกัดลิเธียมในกระบวนการชะล้าง

การวิเคราะห์ TGA เผยให้เห็นการเปลี่ยนแปลงมวลที่สำคัญในกระบวนการรีดักชันด้วยคาร์โบเทอร์มอลของมวลดำผสม LFP-เทอร์นารี ซึ่งบ่งชี้ถึงปฏิกิริยาที่อาจเกิดขึ้นหรือการเปลี่ยนแปลงเฟส/โครงสร้างในวัสดุแข็ง นอกจากนี้ เมื่อสัดส่วนของ LFP ในมวลดำผสมเพิ่มขึ้น อัตราการสกัดลิเธียมลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป โดยเฉพาะในกระบวนการรีดักชันด้วยคาร์โบเทอร์มอลที่ 950°C นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิการประมวลผลมีผลกระทบค่อนข้างน้อยต่อการสกัดลิเธียมจากมวลดำผสมเทอร์นารี-LFP ซึ่งบ่งชี้ว่าความท้าทายหลักในกระบวนการรีดักชันด้วยคาร์โบเทอร์มอลของมวลดำแบตเตอรี่ผสมไม่ได้เกิดจากสภาวะการดำเนินการ แต่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างองค์ประกอบ ซึ่งสร้างสารประกอบที่ทนต่อการชะล้างด้วยน้ำ

การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าการรวมกระบวนการรีดักชันด้วยคาร์โบเทอร์มอลกับการชะล้างด้วยน้ำในสภาวะบรรยากาศเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการสกัดลิเธียมจากมวลดำแบตเตอรี่ผสมเทอร์นารี-LFP ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม (950°C, อัตราการให้ความร้อน 15°C/นาที, เวลาการประมวลผล 2 ชั่วโมง) ประสิทธิภาพการสกัดลิเธียมจากมวลดำเทอร์นารีบริสุทธิ์ถึง 95.7±0.31% โดยมีความบริสุทธิ์ 100%

อย่างไรก็ตาม เมื่อเพิ่ม LFP ในปริมาณเท่ากันกับมวลดำเทอร์นารี กระบวนการสกัดจะถูกรบกวน และอัตราการสกัดลิเธียมลดลงอย่างมากเหลือเพียง 9.78±0.44% เนื่องจากการก่อตัวของ Li3PO4 ที่ไม่ละลายน้ำและการฝังตัวของลิเธียมในเมทริกซ์โลหะผสม Fe-Ni-Co และ Ni-Co

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยได้เพิ่มโซเดียมคาร์บอเนตในกระบวนการรีดักชันด้วยคาร์โบเทอร์มอลเพื่อยับยั้งการก่อตัวของ Li3PO4 การปรับเปลี่ยนนี้เพิ่มอัตราการสกัดลิเธียมเป็น 59.47% ในขณะที่ยังคงความบริสุทธิ์ 100% โดยการเปลี่ยนลิเธียมเป็นลิเธียมคาร์บอเนตที่เสถียร ผลการวิจัยเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าในการใช้งานรีไซเคิลจริง การเพิ่มสารเติมแต่งคาร์บอเนตและการปรับสภาวะกระบวนการอย่างเหมาะสมสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการสกัดลิเธียมได้

ทีมวิจัยพลังงานใหม่ SMM

Cong Wang 021-51666838

Rui Ma 021-51595780

Disheng Feng 021-51666714

Ying Xu 021-51666707

Yanlin Lü 021-20707875

Yujun Liu 021-20707895

Xiaodan Yu 021-20707870

Zhicheng Zhou 021-51666711

He Zhang 021-20707850