Ultralydsudvaskning forandrer batterigenanvendelse og urban råstofudvinding

Brugte batterier og elektronikaffald er fyldt med værdifulde materialer som lithium, nikkel, mangan og kobolt, der er afgørende for den voksende efterspørgsel i sektorerne for vedvarende energi og elbiler. Urban råstofudvinding – processen med at genvinde disse metaller fra kasserede batterier og andet elektronikaffald – er en lovende vej til en cirkulær økonomi, som reducerer behovet for udvinding af nye råstoffer og minimerer affald. En central teknik på dette område er sonikering, som har vist enorme fordele ved at øge metalgenvindingsgraden, forkorte behandlingstiden og forbedre bæredygtigheden.

Sonikeringens styrke inden for batterigenanvendelse og urban råstofudvinding: Et gennembrud for bæredygtig ressourcegenvinding

Et nyere studie af Canciani et al. (2024) undersøger virkningerne af ultralydskavitation – små chokbølger skabt af ultralydsbølger med høj intensitet – på udvaskningsprocessen ved batterigenanvendelse. Deres forskning viser, at sonikering ikke blot er en beskeden forbedring af traditionel genanvendelse; den ændrer grundlæggende, hvordan genanvendelsesprocessen interagerer med batterimaterialet, og gør processen hurtigere, mere effektiv og mindre afhængig af aggressive kemikalier.
Læs mere om studiets resultater nedenfor!

Ultralydsforstærket syreudvaskning foregår med en hastighed, der er tolv gange højere end ved konventionel syreudvaskning, på grund af den gavnlige mekaniske virkning af kavitationsbobler, der brister tæt på overfladen. Dette fænomen forbedrer blandingen af syreopløsningen og forbedrer dermed transportegenskaberne.
Billede og studie: © Canciani et al., 2024

Sådan fungerer sonikering ved batterigenanvendelse

Ved typisk batterigenanvendelse opløses katodematerialer (som indeholder værdifulde metaller) i en sur opløsning, en proces kaldet “udvaskning”. Denne fremgangsmåde gør det muligt at separere og genvinde metaller fra batteriets faste struktur. Konventionel udvaskning er imidlertid tidskrævende og tager ofte timer for at opnå en betydelig metalgenvinding. Den kræver også stærke syrer og høje temperaturer, hvilket giver anledning til bekymring for miljøpåvirkningen.
Sonikering forandrer denne proces ved at tilføre ultralydsbølger direkte til udvaskningsopløsningen. I studiet af Canciani et al., der blev offentliggjort i 2024, testede forskerne denne teknik med et erstatningsmateriale for batterimateriale, lithium-kobolt-nikkel-manganoxid (NMC). Ved at anvende ultralydsbølger med en bestemt frekvens og amplitude fandt de, at ultralydskavitation reducerer udvaskningstiden med over 80%. Processen gik fra at tage timer til blot at tage minutter, hvilket giver en revolutionerende forbedring af effektiviteten.

Sonikeringens rolle i forbedret udvaskning: Videnskaben bag masseoverførsel og hastighed

Sonikering fremskynder ikke blot udvaskningen; den ændrer den måde, hvorpå den sure opløsning interagerer med batteripartiklerne. Ultralyd med høj effekt skaber millioner af mikroskopiske bobler, som hurtigt kollapser i opløsningen, et fænomen kendt som kavitation. Denne virkning skaber intense lokale kræfter, som nedbryder overfladepartikler og øger interaktionen mellem syren og metallerne i batterimaterialet.
Ifølge Canciani et al. (2024) har denne proces to primære virkninger på batterimaterialerne: Den øger partiklernes porøsitet og reducerer deres størrelse, hvilket fører til en markant forøgelse af overfladearealet. Med et større overfladeareal kan syren interagere mere omfattende med materialet og dermed fremme hurtigere udvaskning. Forfatterne observerede, at porevolumenet i sonikerede prøver steg med en størrelsesorden sammenlignet med prøver, der blev behandlet konventionelt, hvilket skaber flere adgangsveje, hvorigennem syren kan opløse metalindholdet.

SEM-billeder af partikler på forskellige tidspunkter under konventionel (a–c) udvaskning og ultralydsudvaskning (d–f).
Billede og studie: © Canciani et al., 2024

Ultralydsudvaskning: Forbedrede transportegenskaber og mikroblanding

Studiet tyder også på, at ultralydskavitation ikke blot forbedrer overfladekontakten, men også forbedrer transportegenskaberne betydeligt. Det betyder grundlæggende, at syrens fordeling over batteripartiklerne bliver mere ensartet, idet kavitationsinduceret mikroblanding sikrer ensartet eksponering. Dette fører til et homogeniseret reaktionsmiljø, som gør det muligt for syren at opløse metaller mere effektivt og ensartet.
Et andet bemærkelsesværdigt resultat er, at fordelene ved ultralydskavitation rækker ud over reduktion af partikelstørrelsen. Forskerne fandt, at kavitation ændrer interaktionsmekanismen mellem syren og partiklerne, sandsynligvis på grund af forbedret transport gennem grænselaget. Enkelt sagt reducerer kavitation tykkelsen af væskelaget omkring hver partikel, hvilket muliggør hurtigere opløsning af metaller.

Partikelstørrelsesfordelinger efter ultralydsudvaskning og konventionel udvaskning
Billede og studie: © Canciani et al., 2024

Fordele for urban råstofudvinding og bæredygtighed

Sonikeringens effektivitet ved batterigenanvendelse rummer et enormt potentiale for fremtidens urbane råstofudvinding og bæredygtige ressourcegenvinding. Resultaterne fra Canciani et al. (2024) indikerer, at sonikering vil erstatte eller reducere afhængigheden af miljøskadelige praksisser ved at:

• Reducere kemikalieforbruget: Ultralydsforstærket udvaskning gør det muligt at anvende mere miljøvenlige opløsningsmidler som eddikesyre frem for de mere aggressive syrer, der typisk er nødvendige ved konventionel udvaskning.
• Sænke energibehovet: Med sonikering foregår udvaskningen hurtigt ved stuetemperatur frem for at kræve langvarig opvarmning, hvilket reducerer energiforbruget og emissionerne.
• Øge materialegenvindingen: Forbedret overfladeinteraktion og øget porøsitet maksimerer genvindingsgraden for værdifulde metaller og gør genanvendelsesprocessen økonomisk rentabel og miljøvenlig.

Bredere indvirkning på batteriindustrien

I takt med udbredelsen af elbiler og teknologier til vedvarende energi stiger efterspørgslen efter batterier og dermed de metaller, de indeholder, kraftigt. Urban råstofudvinding med sonikeringsforstærket genanvendelse giver mulighed for at genvinde disse metaller på en bæredygtig måde, reducere miljøbelastningen ved minedrift og anvende et lukket kredsløb til batteriproduktion og bortskaffelse.
Opskalering af sonikeringsbaserede genanvendelsesmetoder, optimering af kombinationer af opløsningsmidler og finjustering af anvendelsen af ultralydsbølger vil øge effektiviteten yderligere. Hielscher Ultrasonics anbefaler gerne den ideelle inline-konfiguration af sonikatorer til din udvaskningsproces. Kontakt os nu!

Design, fremstilling og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydsapparater er kendt for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening gør det muligt at integrere vores ultralydsapparater problemfrit i industrielle anlæg. Hielscher ultralydsapparater håndterer let barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Hielscher ultralydsapparater overholder naturligvis CE-kravene og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Tabellen nedenfor giver dig et indtryk af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: