The Role of UV-Vis and ICP-OES Spectroscopy in Lithium-Ion Battery Recycling Methods

Význam tématu

Lithium-iontové baterie hrají klíčovou roli v přenosné elektronice i elektromobilitě. Rostoucí objem vyřazených LIB vyžaduje efektivní a ekologické postupy recyklace k opětovnému získání vzácných kovů (Li, Co, Ni, Mn). UV-Vis a ICP-OES spektroskopie umožňují detailní monitoring a kvantifikaci procesů, čímž zvyšují účinnost a udržitelnost recyklace.

Cíle a přehled studie

Cílem studie je ověřit jednu kádrovou hydrometalurgickou metodu založenou na kontakt-elektro-katalýze (CEC), která integruje předúpravu a loužení ve výrazně zjednodušeném kroku. Klíčová role UV-Vis spektroskopie spočívá v reálném sledování generace radikálů a uvolňování kovových iontů, zatímco ICP-OES slouží k přesné kvantifikaci výtěžků kovů a obsahu nečistot.

Použitá metodika a instrumentace

Pro recyklaci se použila separace komponent ze vyřazených NCM anodových materiálů, následně loužení v kyselině jablečné (1 M) nebo citronové s 80 mg SiO2 jako katalyzátoru v ultrazvukové lázni (40 kHz, 300 W) po dobu 6 h při 80 °C.

• UV-Vis spektroskopie: Agilent Cary 3500 Multicell Peltier s Cary UV Workstation – sledování absorpčních maxim 390 nm (Ni2+), 508 nm (Co2+), 660 nm (Mn2+) a barvné změny při reakci s NBT indikující superoxid.
• ICP-OES: Agilent 5800 VDV – simultánní detekce Li, Co, Ni, Mn a stopových prvků (Al, Ca, Mg, Na) s kalibrací na certifikované standardy.
• Testy zachycovačů radikálů (p-benzoquinon, AgNO3, tert-butanol) pro potvrzení úlohy superoxidu, elektronových a hydroxylových radikálů.

Hlavní výsledky a diskuse

Optimalizace procesních parametrů:

• SiO2 katalyzátor: 80 mg – nejlepší výtěžek díky ideální úrovni rozptylu ultrazvuku a tvorbě H2O2.
• Kyselina jablečná: 1 M – vyšší gradient loužení, vyšší koncentrace vedla k iontovému stínění.
• Teplota: 80 °C – podporuje endotermický proces.
• Doba reakce: 6 h – stabilizace Ni2+, Co2+ a Mn2+.
• Pevný/převodový poměr: 10 g/L – potvrzeno ICP-OES.

Pod UV-Vis monitoringem se sledovaly absorpční vrcholy, což umožnilo okamžitou úpravu podmínek. ICP-OES potvrdila vysoké výtěžky: Li 99,6 %, Ni 98,3 %, Co 99,4 %, Mn 97,4 % a koncentrace nečistot Al, Ca, Mg, Na pod 0,03 %.

Přínosy a praktické využití metody

• Snížení počtu kroků recyklace a energetické náročnosti.
• Recyklovatelný SiO2 katalyzátor šetří náklady a odstraňuje odpad.
• Reálný čas řízení procesu pomocí UV-Vis spektroskopie zvyšuje bezpečnost a spolehlivost.
• ICP-OES zajišťuje laboratorní a průmyslovou kontrolu kvality.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Automatizovaná on-line spektroskopická kontrola s umělou inteligencí pro optimalizaci recyklace.
• Rozšíření CEC metod na další chemie baterií (solid-state, Na-iontové).
• Integrace s digitálními dvojčaty a průmyslem 4.0 pro zvýšení efektivity.
• Vývoj nových recyklovatelných katalyzátorů a solventů šetrných k životnímu prostředí.

Závěr

UV-Vis a ICP-OES spektroskopie se ukázaly jako nepostradatelné nástroje pro optimalizaci a monitoring CEC jedno-krokové hydrometalurgické recyklace LIB. Metoda dosahuje vysokých výtěžků vzácných kovů při minimálním dopadu na životní prostředí a přispívá k uzavření materiálového cyklu baterií.

Reference

• Zhu A, Bian X, Han W, Cao D, Wen Y, Zhu K, Wang S. The Application of Deep Eutectic Solvents in Lithium-Ion Battery Recycling: A Comprehensive Review. Resources Conservation and Recycling Advances 2023;188:106690.
• Jin S, Mu D, Lu Z, Li R, Liu Z, Wang Y, Tian S, Dai C. A Comprehensive Review on the Recycling of Spent Lithium-Ion Batteries: Urgent Status and Technology Advances. Journal of Cleaner Production 2022;340:130535.
• Li H, et al. One-Step Green Hydrometallurgical Recycling of Spent Lithium-Ion Batteries’ Cathode. Journal of Hazardous Materials 2025;484:136769.
• Li H, Berbille A, Zhao X, et al. A Contact-Electro-Catalytic Cathode Recycling Method for Spent Lithium-Ion Batteries. Nature Energy 2023;8:1137–1144.
• Agilent Technologies. A Practical Guide to Elemental Analysis of Lithium-Ion Battery Materials Using ICP-OES. Publication 5994-5489EN 2023.