Рынок переработки отработанной литий-ионной энергии оценивался в 15,5 млрд долларов США в 2025 году и, по прогнозам, достигнет 65 млрд долларов США к 2035 году, увеличиваясь со среднегодовым темпом роста в 15,21 тыс. трлн долларов США. Этот рост обусловлен быстрым увеличением количества отработанных литий-ионных батарей от электромобилей, бытовой электроники и систем хранения энергии. Переработчики испытывают давление со стороны рынка, требующего преобразования этих отработанных батарей обратно в батареи, и переработка отработанной литий-ионной энергии находится в центре этих усилий.
Черная масса — это темная, порошкообразная смесь, образующаяся после разрядки, разборки и измельчения батарей. Она содержит активные материалы катода, графитовый анодный материал, медь, алюминий и остаточный электролит. Способ очистки этого материала переработчиками определяет чистоту, степень извлечения и экономическую эффективность последующего процесса регенерации прекурсора. На гидрометаллургическую переработку уже приходится 51,31 млрд тонн от общего объема. переработка литий-ионных батарей на рынке в 2025 году, что отражает его сильные позиции в области извлечения металлов высокой чистоты.
Что такое черная месса и почему она важна?
Черная масса — это промежуточный продукт, образующийся в процессе механической обработки отработанных литий-ионных батарей. Она состоит в основном из активных материалов катода, таких как оксид кобальта лития, оксид марганца-кобальта лития или фосфат железа лития, а также графита с анода, фрагментов медных и алюминиевых токосъемников и органических остатков электролитов и связующих веществ. Ее точный состав зависит от химического состава батареи, производителя и метода предварительной обработки.
NMC черная масса Обычно содержит кобальт 5–20%, никель 5–15%, литий 2–6%, марганец 2–10% и графит 15–25%. Черная масса ЛФП Не содержит кобальта или никеля, поэтому его извлекаемая ценность сосредоточена в основном на литии 3–5% и графите.промышленная черная масса Было установлено, что в электролите, полученном из смешанных химических составов ячеек, содержится приблизительно 40 молекул графита, 40 молекул металла и 20 молекул фосфора и фтора.
Этот материал важен, поскольку содержит наибольшую концентрацию ценных металлов в цепочке переработки. Извлечение этих металлов до чистоты, необходимой для производства батарей, — единственный способ замкнуть цикл и вернуть их в производство новых катодных прекурсоров. Некачественная переработка приводит к потерям металла, загрязнению продукции и увеличению потребления химикатов на последующих этапах.
Гидрометаллургическая и пирометаллургическая регенерация прекурсоров
Существует два основных промышленных процесса, позволяющих преобразовывать чёрную массу в пригодные для использования металлические изделия: гидрометаллургия и пирометаллургия. Гидрометаллургическая переработка предполагает растворение металла в водных кислых растворах, после чего отдельные металлы разделяются путем экстракции растворителем, осаждения и кристаллизации. Этот метод обычно позволяет достичь следующих результатов: 92–97% литий Гидрометаллургия производит высокочистые соли, пригодные для синтеза прекурсоров. В 2025 году на долю рынка гидрометаллургии в сегменте переработки аккумуляторов для электромобилей приходилось 51,31 тыс. тонн продукции.
Пирометаллургическая переработка использует высокотемпературную плавку для восстановления металлов до кобальт-никелево-медного сплава. Затем сплав подвергается рафинированию, часто с помощью гидрометаллургических процессов, для извлечения отдельных металлов. Этот подход хорошо справляется со смешанным и загрязненным сырьем, но при этом значительная часть лития теряется в силикатном шлаке. Извлечение лития при пирометаллургических методах обычно составляет от 50 до 701 тонн на тонну, а энергопотребление примерно в три-четыре раза выше, чем при гидрометаллургической переработке.
Третий подход, прямая регенерация катода, привлекает все больше внимания. Он направлен на восстановление кристаллической структуры отработанных активных материалов катода вместо их растворения. Рынок прямой переработки катодов оценивался в 548,9 млн долларов США в 2025 году и, по прогнозам, достигнет 6,74 млрд долларов США к 2035 году, увеличиваясь на 28,51 млрд долларов США в год. Этот метод позволяет избежать полного химического разложения и может снизить затраты на повторное производство, но требует более чистого и однородного сырья, чем традиционные методы.
Процесс очистки черной массы шаг за шагом.
Процесс переработки начинается с безопасной разрядки и разборки. Отработанные аккумуляторные батареи поступают в различном состоянии заряда, и неконтролируемая разборка создает риски возгорания и теплового разгона. Автоматизированные системы разрядки снижают эти риски до начала механической обработки.
Термическая предварительная обработка Удаляет летучие электролиты, сепараторы и органические связующие вещества. Контроль температуры имеет решающее значение. Исследования показывают, что связующие вещества на основе поливинилиденфторида разлагаются в два этапа: частичное разложение начинается примерно при 500°C, а для полного удаления требуется приблизительно 650°C. Удаление этих связующих веществ улучшает отделение активных материалов от токосъемников и снижает загрязнение фтором в последующих контурах выщелачивания.
Механическое измельчение Измельчает модули или ячейки до фрагментов размером примерно 10–20 мм, что обеспечивает эффективную последующую сепарацию. Затем материал проходит через магнитную сепарацию, вихретоковую сепарацию и сортировку по плотности для удаления стали, меди, алюминия и пластмасс. Остается черная масса, которую все еще необходимо измельчить, чтобы обнажить частицы активного материала и подготовить их к выщелачиванию или прямой регенерации.
тонкое измельчение Этот этап уменьшает размер частиц черной массы до сотен микрон или меньше. Он максимизирует высвобождение металла и позволяет получить однородный, сыпучий порошок, который предпочитают переработчики для отбора проб и выщелачивания. Конечное распределение частиц по размерам зависит от последующего процесса и химического состава исходного материала.
Почему контроль размера частиц имеет решающее значение при переработке черной массы
Размер частиц напрямую влияет на извлечение металлов и экономику процесса. Более мелкие частицы имеют большую площадь поверхности, что ускоряет кинетику выщелачивания и может снизить потребление кислоты. Исследование биовыщелачивания показало, что уменьшение размера частиц улучшает извлечение лития, кобальта, никеля и марганца, при этом самые высокие выходы достигаются в самых мелких фракциях.
Однако чрезмерное измельчение создает проблемы. Пластичные медные и алюминиевые фольги размазываются и фрагментируются, образуя частицы того же размера, что и катодное покрытие, в результате чего в них внедряются мелкие металлические частицы, которые не могут быть удалены ситами и сепараторами плотности. Эти частицы повышают уровень примесей, увеличивают расход реагентов и снижают качество конечных продуктов-прекурсоров. Цель состоит не просто в получении максимально мелких частиц, а в узком и контролируемом распределении частиц по размерам, соответствующем стадиям разделения и выщелачивания.
Струйные мельницы А воздушные классификаторы помогают достичь этого контроля. Струйные мельницы используют высокоскоростные потоки газа для ускорения частиц друг относительно друга, производя мелкодисперсные порошки без высокого механического износа и загрязнения, характерных для шаровых или молотковых мельниц. Воздушные классификаторы разделяют частицы по размеру и плотности, возвращая материал крупного размера для дальнейшего измельчения, одновременно собирая целевую фракцию. Некоторые интегрированные системы сообщают об уровне примеси черной массы ниже 1,51 TP3T после одного прохода.
Основные проблемы в переработке черной массы
Примеси Наибольшим препятствием на пути производства прекурсоров аккумуляторного качества являются медь и алюминий. Они попадают в черную массу из токосъемников и в процессе дробления. Эти металлы расходуют выщелачивающие реагенты, загрязняют продукты сульфатирования металлов и могут создавать проблемы безопасности при термической обработке. Эффективная магнитная, вихретоковая и плотностная сепарация перед тонким измельчением является первой линией защиты.
Связующее вещество из ПВДФ Остаточные количества представляют собой еще одну постоянную проблему. Кислотное выщелачивание эффективно удаляет металлы, но оставляет фтор в графитовой фракции. В одном исследовании сообщалось об остаточном содержании фтора в 1,97–2,25 мас. % после кислотного выщелачивания, что показывает, что одной лишь химической обработки недостаточно для полного удаления связующего вещества. Термическая обработка при контролируемых температурах или удаление связующего вещества с помощью растворителей могут уменьшить это загрязнение до того, как материал попадет в последующие технологические процессы.
Безопасность обеспечивается на каждом этапе. Отработанные батареи сохраняют остаточный заряд. Электролиты легковоспламеняемы и токсичны. Пыль от черной массы взрывоопасна, если ее не контролировать. Для защиты работников и оборудования необходимо сочетать автоматизированную выгрузку, обработку в инертной атмосфере, пылеулавливание и газоподготовку.
Выбор оборудования: фрезерование и классификация черной массы
Предприятиям по переработке отходов необходимо оборудование, способное обрабатывать чёрную массу без добавления загрязнений или чрезмерного измельчения ковких металлов. Струйные мельницы хорошо подходят для этой задачи, поскольку они измельчают частицы за счёт ударного воздействия, а не за счёт контакта металла с металлом. Это снижает загрязнение железом и поддерживает чистоту продукта. Отсутствие вращающихся измельчающих элементов также снижает износ и затраты на техническое обслуживание при обработке абразивных материалов аккумуляторных батарей.
В воздушных классификаторах добавляется этап разделения по размеру. Они позволяют операторам устанавливать точную точку отсечения, отделяя мелкую черную массу от крупных фрагментов меди и алюминия. Часто необходима работа в инертном газе, поскольку черная масса является реактивной и может воспламеняться. Атмосфера азота или углекислого газа подавляет горение, сохраняя при этом качество продукта.
Эпический порошок дизайны струйное фрезерование а также системы воздушной классификации для применения в производстве аккумуляторных материалов. Наши струйные мельницы обеспечивают узкое распределение частиц по размерам и работают в инертном газе, что делает их пригодными для измельчения черной массы перед гидрометаллургическим выщелачиванием или прямой регенерацией. Интегрированные измельчающе-классификационные установки сокращают количество этапов переноса, ограничивают загрязнение и повышают стабильность производительности. Для предприятий, занимающихся переработкой и создающих линии регенерации прекурсоров, подбор измельчительного и классификационного оборудования в соответствии с качеством черной массы так же важен, как и выбор химического состава для выщелачивания.
Будущие тенденции в очистке черной массы и регенерации прекурсоров.
Регулирование ужесточается. Регламент ЕС по батареям требует, чтобы к концу 2027 года уровень извлечения кобальта, меди, свинца и никеля составлял 901 тыс. тонн на 3 тонны, а к концу 2031 года — 951 тыс. тонн на 3 тонны. Целевые показатели извлечения лития составляют 501 тыс. тонн на 3 тонны к концу 2027 года и 801 тыс. тонн на 3 тонны к концу 2031 года. Будут введены правила минимального содержания переработанного сырья, требующие 61 тыс. тонн переработанного лития и 61 тыс. тонн переработанного никеля в новых батареях для электромобилей к 2031 году, а также 121 тыс. тонн лития и 151 тыс. тонн никеля к 2036 году. Эти правила подталкивают переработчиков к повышению уровня извлечения и чистоты.
Вероятнее всего, наиболее быстрыми темпами будет расти рынок прямой регенерации. Его рынок расширяется со среднегодовым темпом роста 28,51 тыс. тонн на 3000 тонн, что значительно опережает гидрометаллургию и пирометаллургию. Этот рост зависит от производства более чистой черной массы с более низким содержанием меди, алюминия и связующих веществ, что подчеркивает важность предварительной переработки и контроля размера частиц.
Автоматизация и интеграция процессов также развиваются. Предприятия по переработке отходов объединяют измельчение, термическую обработку, помол, классификацию и выщелачивание в непрерывные линии с мониторингом в реальном времени. Цель состоит в обеспечении стабильного качества черной массы, снижении удельных затрат и возможности переработки смешанного сырья в промышленных масштабах.
Заключение
Переработка отработанной черной массы является связующим звеном между отработанными батареями и регенерацией прекурсоров аккумуляторного качества. Состав и размер частиц переработанной черной массы определяют степень извлечения, расход реагентов и чистоту продукта при использовании гидрометаллургических, пирометаллургических и методов прямой регенерации. Сегодня гидрометаллургия лидирует благодаря высокой степени извлечения лития и высокой чистоте продуктов, но пирометаллургия остается актуальной для сложного сырья, а прямая регенерация быстро развивается. По мере того, как нормативные требования повышают целевые показатели извлечения и требования к содержанию переработанного сырья, предприятиям по переработке потребуется более жесткий контроль над размером частиц, снижение уровня загрязнения и более безопасная обработка. Струйное фрезерование Классификация воздуха и другие подобные методы являются ключевыми инструментами для выполнения этих требований.
Эпический порошок
Компания Epic Powder разрабатывает системы измельчения и классификации для минералов, химикатов, продуктов питания и фармацевтических препаратов. Обладая более чем 20-летним опытом в области обработки порошков, мы подбираем мельницу, соответствующую требуемому размеру частиц и производительности.
Нужно решение для уменьшения размера или классификации черной массы? Поставки порошка Epic Powder струйные мельницы а также системы классификации воздуха, разработанные для переработки батарей. Связаться с нами и мы порекомендуем вам проверенное решение.
Часто задаваемые вопросы
Что такое чёрная масса при переработке батарей?
Черная масса — это темная порошкообразная смесь, образующаяся при измельчении и механической обработке отработанных литий-ионных батарей. Она содержит активные катодные материалы, графит, медь, алюминий и остаточные органические соединения.
Каковы основные методы регенерации предшественников?
Существует три основных метода: гидрометаллургия, пирометаллургия и прямая регенерация катода. Гидрометаллургия предполагает химическое растворение и разделение металлов. Пирометаллургия выплавляет металлы в сплавы. Прямая регенерация восстанавливает кристаллическую структуру отработанных катодных материалов.
Как размер частиц влияет на процесс очистки черной массы?
Более мелкие частицы улучшают высвобождение металлов и кинетику выщелачивания, но чрезмерное измельчение приводит к внедрению мелких частиц меди и алюминия в черную массу. Контролируемое распределение частиц по размерам имеет важное значение для высокого выхода и низкого уровня загрязнения.
Почему струйная фрезеровка используется при обработке чёрной массы?
Струйные мельницы уменьшают размер частиц за счет ударного воздействия частиц друг на друга, что минимизирует загрязнение металлами и износ. Они также хорошо работают в инертном газе, что является важным фактором безопасности при работе с реактивной черной массой.
Какой уровень чистоты требуется для регенерированных прекурсоров батарей?
Для получения прекурсоров аккумуляторного класса обычно требуется, чтобы содержание металлических примесей, таких как медь, железо и алюминий, составляло не менее частей на миллион. Точные требования зависят от химического состава катода и соглашения о качестве с конечным заказчиком.
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете свяжитесь с EPIC Представитель по работе с клиентами Powder Online Зельда для любых дальнейших запросов».
— Джейсон Ван, Инженер