Повышенный спрос на литиевые батареи для стимулирования развития технологий

Постоянное развитие процессов и оборудования

Побочным эффектом растущего спроса на литий является тенденция горнодобывающих компаний спешить с листингом. «В ближайшие несколько лет, некоторые компании будут добывать карбонат лития онлайн от литий пироксен руды Его вес составляет обычно около 8 <УНК> Li2O К требованию встречаются, легко начать,..» Jenike & Johanson (Tyngsboro, мессу; проект инженер Джош Марион на сайте www.jenike.com. Это воздействие в сочетании с высокой ценностью лития и его особыми физическими свойствами подчеркивает важность правильного проектирования на всех этапах обработки лития - от начальной добычи до последней стадии очистки. пытаясь достичь идеальной основы чистоты, гранулированности и плотности продукта, это заставляет переработчиков подходить к сыпучим материалам по-новому. "Многие технологические требования могут быть больше похожи на фармацевтическое производство, чем на традиционную переработку минералов. К качеству материалов предъявляются высокие требования. производители аккумуляторов. Если нет надежной твердой обработки, требуемая консистенция продукта не может быть достигнута », - пояснила Марион.

Некоторые из основных операционных проблем, с которыми сталкиваются литиевые процессоры, включают агломерацию, накопление и остановку трафика. Для извлечения лития из литиевой пироксеновой руды после добычи руда должна пройти ряд этапов дробления и сортировки по гранулированности для получения руды с желаемой зернистостью. Затем концентрат отправляется на обогатительную фабрику, где он сушится, измельчается, отделяется, обезвоживается и далее на стадии измельчения для получения концентрата пироксена лития. Затем концентрат поступает на перерабатывающую установку для обжига, в которую добавляются различные водные растворы, кислоты и другие химические вещества для извлечения различных примесей, таких как железо, алюминий, кремний и магний. Наконец, влажный осадок на фильтре кристаллизуют и сушат до гидроксида лития (LiOH) или карбоната лития (Li2CO3). «Если у вас недостаточно сушилок или технологическое оборудование не предназначено для обработки слегка влажных материалов, особенно в процессе переработки лития во влажном фильтровальном кеке, вы обычно накапливаете литиевые и литиевые блоки по всему предприятию. И из-за гигроскопичности соли лития, даже когда материал сухой, он может впитывать влагу и лепешку », - сказала Марион. Он подчеркнул, что внимание к деталям на этапе проектирования оборудования необходимо, чтобы избежать этих узких мест и обеспечить постоянство качества продукции. «При выборе и проектировании оборудования важно учитывать характеристики материалов на каждой стадии процесса», - добавил он.

С развитием требований к характеристикам LIB производители оборудования разрабатывают новые технологии для удовлетворения этих требований. «Сейчас ключевыми параметрами для производителей лития являются чистота и гранулярность», - GEAGroupAG (Дюссельдорф, Германия; Ананта Ислам, директор по продажам North American Chemicals, www.gea.com. Присутствие определенных примесей напрямую влияет на характеристики батареи. , поэтому производители лития должны соблюдать строгие стандарты чистоты. «Пользователи ищут очень низкие уровни натрия, калия, серы и тяжелых металлов в продуктах аккумуляторного качества», - объясняет Кристиан Мельчес, старший менеджер по продажам и технологиям компании GEA. В материалах из соленой воды в Южной Америке или в типичных литий-литиевых пироксеновых рудах в Канаде и Австралии эти примеси обычно присутствуют в значительных количествах. Для решения проблемы чистоты компания GEA предоставляет блок кристаллизации (рис. 1), который можно использовать в комбинации для оптимизации очистки. «Преимущество заключается в знании того, как вести процесс через сам процесс до нескольких кристаллизаторов, чтобы получить самый чистый продукт», - сказал он. Другим важным аспектом комбинированных устройств кристаллизации является энергоэффективность. Одной из мер по экономии энергии является использование механического повторного сжатия пара пресс-формы для производства пара, используемого для управления процессом.

LiOH - предпочтительная форма лития для большинства современных производителей LIB - требует чрезвычайно точного распределения частиц по размерам, что требует специального устройства для распылительной сушки. Ислам пояснил, что типичный диапазон размеров частиц для традиционной распылительной сушки может составлять 40-50 мкм, но для обработки LiOH этот диапазон составляет приблизительно 5-7 мкм. Чтобы гарантировать соответствие материала требованиям, компания GEA разрабатывает и патентует специальные сопла для обработки лития (рис. 2). «Combi-Nozzle использует сопла высокого давления и сжатый воздух для вторичного распыления, чтобы еще больше уменьшить размер частиц», - сказал Ислам. Производители лития заявили, что для правильного уплотнения порошка требуется меньшая зернистость, что напрямую влияет на производительность LIB. Согласно Исламу, эта специальная насадка была разработана на основе технологии, используемой в фармацевтической промышленности для распылительной сушки частиц, которые используются для вдыхаемых лекарств, требующих очень мелких частиц.

Хотя соленая вода и пироксен лития производят большую часть сегодняшнего лития, в ближайшие годы из-за высокого спроса могут появиться и другие источники. «Горнодобывающие компании начинают вкладывать средства в замену источников лития, поэтому будущее технологическое оборудование, возможно, потребуется настроить для работы с более нечистым сырьем», - сказал Мелчес.

Чтобы повысить эффективность использования ресурсов и снизить затраты на LIB, появляются технологии, позволяющие повысить гибкость сырьевых материалов для различных препаратов лития и снизить их количество. NanoOne Materials Inc. (Ванкувер, Британская Колумбия, Канада; www.nanoone.ca) разработала запатентованный процесс производства катодных материалов для различных химических батарей. В таблице 1 перечислены наиболее распространенные химические вещества LIB на рынке, такие как NMC, NCA и LTO. В отличие от типичных технологий производства твердотельных катодов, технология NanoOne основана на решениях. «Процесс, основанный на растворах, позволяет нам изготавливать материалы для аккумуляторов более дешево, и этот процесс очень гибкий, поэтому его можно использовать для изготовления нескольких составов материалов литиевого катода», - сказал Стивен Кэмпбелл, главный научный сотрудник NanoOneMaterials. И ... По мере того, как производители аккумуляторов пытаются оптимизировать емкость, стабильность и стоимость LIB, они пытаются снизить содержание кобальта при одновременном увеличении содержания никеля в катоде. Для изготовления этих материалов с высоким содержанием никеля LiOH является предпочтительным литиевым сырьем, но его становится все труднее и дороже получать. Технология NanoOne может использовать LiOH или более распространенный и недорогой Li2CO3 для производства катодных материалов, предоставляя производителям Li2CO3 более прямой подход, что позволяет избежать инвестиций в дорогостоящие процессы преобразования Li2CO3 в гидроксид лития. «Мы можем упростить цепочку поставок, используя источники лития, которые никто другой не может использовать», - сказал Кэмпбелл.

Технология растворов NanoOne растворяет литий в воде (в условиях окружающей среды) с другими переходными металлами, поэтому тип лития не зависит - LiOH и Li2CO3 обрабатываются одинаково. Растворенный металл осаждается с образованием кристаллического предшественника с упорядоченной структурой решетки всех существующих катодных металлов. Кэмпбелл сказал, что эта упорядоченная структура помогает быстрее запускать печь. «Мы можем запустить материал в течение семи часов, потому что металл был смешан надлежащим образом. Традиционный метод измельчения лития с другими металлами требует диффузии на большие расстояния, что может занять 1-2 дня», - добавил он. технологии NanoOne заключается в том, что однородность кристаллов может разбавлять примеси, делая процесс более устойчивым к низкосортному сырью, что еще больше снижает эксплуатационные расходы. NanoOne в настоящее время тестирует образцы лития разной чистоты, чтобы оценить способность технологии справляться с различными загрязненными видами. «Мы видим, что воздействие некоторых примесей не так плохо, как думают некоторые. Например, магний можно использовать в качестве примеси, и он действительно может улучшить производительность, - объясняет Кэмпбелл. В настоящее время NanoOne может производить катодные материалы партиями по 300 кг на пилотной установке мощностью до 1 тонны в день. Команда недавно начала отправлять образцы продуктов сторонним организациям для проверки.

Восстановление батареи

Использованные батареи содержат огромное количество материалов, пользующихся повышенным спросом, и многие организации работают над разработкой эффективных технологий переработки, чтобы в полной мере использовать этот неиспользованный ресурс. United States Manganese Corporation разработала процесс восстановления катодных металлов (включая литий, кобальт, марганец, никель и алюминий) из батарей электромобилей (рис. 3). Ларри Ро, президент и главный исполнительный директор AY, сказал, что компания в настоящее время строит пилотную установку весом в килограмм, чтобы продемонстрировать технологию, используя проверенный непрерывный процесс извлечения марганца из руд с низким содержанием (рис. 4). Строится коммерческий завод мощностью 3 тонны в день, который будет использовать лом или некондиционные металлы от производителей LIB. В ходе лабораторных испытаний из материалов и отходов LIB было извлечено 100 банок катодного металла, что обычно в конечном итоге утилизируется на полигонах или в плавильных печах. Восстановление металла неэффективно, и даже невозможно извлечь литий ни с одного катода. Рио объяснил, что процесс AY должен легко масштабироваться, потому что он доказывает историю непрерывной работы при высоком уровне производства марганца.

Благодаря использованию диоксида серы и других недорогих реагентов, а также процессов автоматического демонтажа аккумуляторов технология восстановления AMY практически не содержит отходов, поскольку восстанавливается 100 тонн металла и рециркулируется технологическая вода. Реау сказал, что революционная часть гидрометаллургических процессов упрощает этапы осаждения, увеличивает выход металлов и позволяет работать со многими металлами и катодными химикатами.

Учитывая будущее предложение и спрос на такие материалы для аккумуляторов, как литий и кобальт, Реог считает, что при сравнении процесса переработки с добычей полезных ископаемых его преимущества очевидны. «Цены на кобальт зашкаливают, и, похоже, в ближайшее время производство не начнется, а для новых рудников нужно учитывать годы и годы сроков поставки», - добавил он. «Я думаю, что наша переработка более экономична, чем добыча полезных ископаемых».

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего (www.ucsd.edu) разработали еще одну новую технологию восстановления катодных материалов из выброшенных LIB. Процесс начинается с этапа неразрушающего разделения частиц, включающего растворение, суспендирование, фильтрацию и промывку клея, за которым следует обработка гидротермальной литификацией, при которой катодные частицы подвергаются воздействию давления в щелочных растворах в присутствии солей лития. Последующие этапы отжига помогают исправить кристаллическую структуру материала, которая могла деградировать во время предыдущего использования батареи, объясняет Чжэнчен, профессор наноинжиниринга в Калифорнийском университете в Сан-Диего. По словам команды, восстановленный материал батареи, восстановленный во время процесса, восстановился до своих исходных характеристик с точки зрения емкости заряда, времени зарядки и срока службы батареи.

Чен сказал, что одним из основных преимуществ этого процесса является его энергоэффективность по сравнению с другими технологиями утилизации аккумуляторов. «Мы не разрушаем большую часть структуры и состава частиц, на воссоздание которых уходит много энергии». Избегание повторения этих производственных этапов может помочь сэкономить энергию », - сказал он. Этот процесс был продемонстрирован на граммовой шкале. Доказано, что они доступны для аккумуляторов LCO и NMC, что позволяет им гибко обрабатывать LIB от электромобилей и бытовой электроники.

Металлы в переработке ископаемого топлива

Растущий мировой спрос на LIB заставил отрасль рассматривать альтернативные источники энергии для многих металлов и, в некоторых случаях, искать вдохновение в традиционных нефтегазовых процессах. MGX Minerals Inc. и Highbury Energy Inc. Новая технология, разработанная в сотрудничестве с Ванкувером, направлена на извлечение металлов (кокса), используемых в LIB, из нефтяного кокса, основного побочного продукта нефтепереработки. Нефтяной кокс направляется на усовершенствованные процессы термохимической газификации для производства побочных продуктов водорода и золы, из которых извлекаются дорогостоящие металлы, включая никель и кобальт, и различные концентрации редкоземельных элементов. Высокий спрос на водород и большое количество дешевого нефтяного кокса делают этот проект очень привлекательным. Ключ к эффективности извлечения металлов заключается в точности технологии реактора с псевдоожиженным слоем газификации, позволяющей исключить накопление смолы и остатков, которые обычно влияют на операцию газификации. «Этот процесс требует газификации с низким содержанием смол и чистых побочных продуктов золы. Последнее, что нам нужно, это смола или органические материалы в золе, которые могут затруднить обработку металла», - пояснил Джаред Лазерсон, президент и главный исполнительный директор MGX Mining. Еще одно преимущество этого процесса газификации заключается в том, что он может обрабатывать очень широкий диапазон размеров частиц, включая очень мелкие материалы. Поскольку газификатор действует как центратор, процесс извлечения металла относительно прост.

По словам Лазерсона, возможность совмещать процессы газификации нефти и извлечения металлов с участком переработки нефтеносных песков устраняет логистические и транспортные проблемы. Компания Highbury Energy уже много лет использует свою запатентованную технологию реакторов с псевдоожиженным слоем для запуска испытательных установок по газификации. «Мы только начинаем выяснять, будет ли следующей стадией экспериментальный проект или небольшой коммерческий завод», - сказал Лазерсон. «Помимо нефтяного кокса, в других проектах в качестве источника асфальта предлагался уголь.

Что касается лития, MGX Minerals продвигает технологию нанофильтрации для извлечения лития. В этом процессе запатентованный процесс высокоинтенсивной флотации использует микропузырьки для удаления остаточной нефти, металлов и мелких частиц из сырья, как правило, солевого раствора, хвостов или содержащих литий сточных вод с мест переработки нефти и природного газа или химических производств. Лазерсон сказал, что на этом этапе можно удалить 99 тонн физических частиц, обеспечить очень чистый источник соли для этапа нанофильтрации, а затем дополнительно улучшить поток жидкого лития до уровня чистоты, необходимого для производства LIB. «По сути, это узкоспециализированный метод адсорбции нанитов», - добавил он. «На первом этапе мы удаляем примеси, такие как натрий, магний и кальций, поэтому в итоге мы получаем очень чистый концентрат лития, а также другие солевые концентраты, которые можно монетизировать», - отмечает Лазерсон. Компания скоро завершит строительство своего первого коммерческого завода и оценивает место установки следующего завода. В настоящее время завод производит 750 баррелей в день, и начальные строительные работы ведутся, производя 7 500 баррелей в день. MGX Mining также работает с партнерами в Южной и Северной Америке, включая возможное развертывание крупномасштабных участков добычи природных рассолов, связанных с геотермальной обработкой в Южной Калифорнии. Компания также недавно объявила о совместном проекте с Orion Laboratory Co. Ltd. и Light Metals International по коммерциализации нового модульного термохимического процесса для производства Li2CO3 или LiOH высокой чистоты в литиевом пироксеновом концентрате.

Еще один потенциальный источник лития - сточные воды от гидроразрыва пласта. Техасский университет в Остине (Юта; www.utexas.edu) с Университетом Монаша, Мельбурн, Австралия (Мельбурн, Австралия, www.monash.edu) и CSIRO (Мельбурн, Австралия); www.csiro.au) разработали мембранный процесс с использованием металлоорганических скелетов (MOF) для избирательного извлечения лития из сточных вод (рис. 5). «Учитывая, что конкретный MOF в этой работе имеет апертуру, может ли он вмещать? Что? Частично обезвоженные наночастицы лития, но не большие ионы или высокогидратированные ионы, делают их селективными в отношении лития по сравнению с большей частью обезвоженных ионов, таких как натрий , калий и цезий ", - пояснил профессор химического машиностроения UT Бенни Фриман. «Наше текущее предположение состоит в том, что ионы лития частично дегидратируются в поры MOF, где они очень быстро проходят через нанокристаллические зазоры в кристаллах MOF. Этот механизм означает, что внутреннее взаимодействие MOF с ионами лития является благоприятным, что приводит по крайней мере к частичной дегидратации "Ионы", - добавил Фриман. В настоящее время мембраны MOF были продемонстрированы в лабораторных масштабах, но UT Group работает над адаптацией этой технологии к процессу непрерывного потока, установленному CSIRO, для производства большего количества мембран MOF. Команда считает, что технология не ограничивается литием, MOF можно использовать для целей опреснения или отрегулировать для избирательного проникновения моновалентных анионов, таких как удаление фторида из питьевой воды или удаление нитратов из сельскохозяйственных стоков. Для получения дополнительной информации о применении мембран при извлечении литигума см. Охват расширенных мембран в CPI.

Покупка кобальта ближе к дому

Увеличение производственных мощностей LIB оказало уникальное давление на поставки кобальта. Кобальт добывается не только в политически нестабильных районах, но и в основном как побочный продукт никелевых и медных рудников, поэтому его экономика тесно связана с потребностями этих рынков. Признавая потребность в новом крупном кобальте для удовлетворения спроса, Fortune MinimalsLtd .. (Лондон, Онтарио, Канада; www.fortunemanerals.com) осуществляет обширный проект по добыче кобальта в Северной Америке, который производит очень мало кобальта. Проект Fortune Mines включает в себя добычу кобальта, золота, висмута и меди на большом месторождении в Северо-Западных территориях Канады, а также завод по переработке металлов в Саскачеване, который будет перерабатывать металлические концентраты из шахт. «Проект в основном снижает риски цепочки поставок за счет наличия вертикально интегрированного источника прозрачности цепочки поставок в Северной Америке», - объясняет Робин Гоуд, президент и главный исполнительный директор Fortune Mines. В рамках проекта были проведены технико-экономическое обоснование и предварительное проектирование (FEED), и в настоящее время группа завершает новое технико-экономическое обоснование, чтобы учесть повышение производительности на 30 процентов. Гоуд сказал: «Наша цель - производить около 7000 тонн гептагидрата сульфата кобальта каждый год, который является предпочтительным материалом для аккумуляторов NCA и NMC в автомобильной промышленности.

Завод в Саскачеване начнет переработку металлических концентратов на рудниках из висмута. В устройстве для обработки висмута на стадии вторичной флотации получают концентрат сульфида кобальта, содержащий золото, и затем его отправляют в устройство для обработки кобальта (рис. 6). Здесь кобальтовый концентрат погружают в кислоту под высоким давлением при 180 ° C в автоклаве. «Сульфид кобальта растворяется в растворе в результате экзотермической реакции. Поскольку сульфидные минералы производят кислоту во время растворения, кислота редко расходуется», - пояснил Гоуд. Затем золото извлекается и отправляется в отдельную технологическую установку, кобальтовый материал нейтрализуется, а примеси - железо, медь и наиболее важный мышьяк - осаждаются, чтобы получить относительно чистый поток кобальта. «Мы удаляем примеси мышьяка и используем излишки железа в растворе, чтобы преобразовать его в арсенат железа. Токсичный мышьяк сейчас находится в стабильном безопасном состоянии и может быть безопасно захоронен на строительной площадке», - добавил Гоуд. Эта стадия конверсии мышьяка особенно важна для завода по переработке металлов с других рудников, поскольку многие новые производимые кобальты производятся на основе мышьяка и существуют ограничения на экспорт соединений, содержащих мышьяк. Гоуд сказал: «В дополнение к переработке концентратов с наших собственных рудников, мы считаем, что нефтеперерабатывающие заводы смогут хорошо справиться с концентратами с других кобальтовых проектов в Северной Америке. Fortune Mines ожидает, что строительство завода начнется в начале 2019 года. Отладка и коммерческие операции состоится в 2021 году. «Долгосрочный бизнес-план состоит в том, чтобы диверсифицировать переработку, потому что у нас будет такой, который сможет удалять остатки, лом или лом аккумуляторов и перерабатывать металлы», - говорит Гоуд. Он подчеркнул необходимость установления инфраструктура пунктов сбора для поддержки этих потоков отходов до того, как может произойти крупномасштабная переработка.

Страница содержит содержимое машинного перевода.