Ultralyd til genbrug af lithium-ion-batterier

• Lithium-ion-batterier, der bruges i elbiler, kommer først nu til massemarkedet, og med det skal genanvendelseskapaciteten udvikles.
• Ultralydsudvaskning er en effektiv, miljøvenlig teknik til genvinding af metaller som Li, Mg, Co, Ni osv. fra brugte Li-ion-batterier.
• Hielscher industrielle ultralydssystemer til udvaskningsapplikationer er pålidelige og robuste og kan let integreres i eksisterende genbrugsanlæg.

Genbrug af lithium-ion-batterier

Lithium-ion-batterier bruges i vid udstrækning i elektriske køretøjer (EV), bærbare computere og mobiltelefoner. Det betyder, at brugte lithium-ion-batterier er en aktuel udfordring i forhold til affaldshåndtering og genanvendelse. Batterierne er en stor omkostningsdriver for elbiler, og bortskaffelsen af dem er også dyr. Miljømæssige og økonomiske aspekter presser på for et lukket genbrugskredsløb, da batteriaffaldet indeholder værdifulde materialer og hjælper med at reducere kulstofaftrykket ved fremstilling af lithium-ion-batterier.
Genanvendelse af Li-ion-batterier vokser til en blomstrende industrisektor for at sikre den fremtidige tilgængelighed af sjældne jordarters metaller og andre batterikomponenter og for at reducere miljøomkostningerne ved minedrift.

Pyrometallurgisk og hydrometallurgisk genbrug vs genbrug af ultralydsbatterier

Nedenfor sammenligner vi de konventionelle metoder til pyrometallurgiske og hydrometallurgiske processer med ultralydsudvaskningsteknikken med hensyn til fordele og ulemper.

Ulemperne ved konventionel batterigenbrug

Traditionelle metoder, der anvendes til genbrug af lithium-ion-batterier, omfatter pyrometallurgiske og hydrometallurgiske processer.
 
Pyrometallurgiske metoder involverer højtemperaturprocesser såsom smeltning eller forbrænding. Batterierne udsættes for ekstrem varme, hvilket får de organiske komponenter til at brænde af, og de resterende metalliske komponenter smeltes og adskilles. Disse metoder har dog nogle ulemper:

• Miljøindvirkning: Pyrometallurgiske processer frigiver skadelige emissioner og forurenende stoffer til atmosfæren, hvilket bidrager til luftforurening og potentielt forårsager sundhedsfarer.
• Tab af materialer: Højtemperaturprocesser kan resultere i tab af værdifulde materialer og metaller på grund af termisk nedbrydning, hvilket reducerer den samlede genvindingsgrad.
• Energikrævende: Disse metoder kræver typisk et betydeligt energiinput, hvilket øger driftsomkostningerne og miljøaftrykket.

 
Hydrometallurgiske metoder involverer kemisk udvaskning for at opløse batterikomponenterne og udvinde værdifulde metaller. Selvom hydrometallurgi er mere miljøvenlig end pyrometallurgiske metoder, har hydrometallurgi sine egne ulemper:

• Kemisk anvendelse: Stærke syrer eller andre ætsende kemikalier er nødvendige for udvaskning, hvilket giver anledning til bekymring for kemikaliehåndtering, affaldshåndtering og potentiel miljøforurening.
• Selektivitetsudfordringer: Det kan være vanskeligt at opnå selektiv udvaskning af ønskede metaller, hvilket fører til lavere genvindingsrater og potentielt tab af værdifulde ressourcer.

 

Fordele ved ultralydsbatteriudvaskning i forhold til konventionelle teknikker

Sammenlignet med både pyrometallurgiske og hydrometallurgiske genbrugsteknikker udkonkurrerer ultralydsbatterigenbrugsteknik på grund af forskellige fordele:

1. Forbedret effektivitet: Ultralydsonikering kan fremskynde nedbrydningen af batterimaterialer, hvilket resulterer i kortere behandlingstider og højere samlet effektivitet.
2. Forbedrede gendannelsesrater: Den kontrollerede anvendelse af ultralydskavitation forbedrer nedbrydningen af batterikomponenter, hvilket øger genvindingshastigheden for værdifulde metaller.
3. Miljøvenlig: Ultralydsgenbrug reducerer afhængigheden af høje temperaturer og skrappe kemikalier, minimerer miljøpåvirkningen og sænker emissioner af forurenende stoffer.
4. Selektiv udvaskning: Den kontrollerede anvendelse af ultralyd giver mulighed for målrettet afbrydelse af specifikke komponenter i batteriet og adskiller dem effektivt. Da forskellige genanvendelige batteriforbindelser fjernes og opløses under specifikke ultralydsintensiteter, giver optimerede behandlingsparametre mulighed for en selektiv udvaskning af individuelle materialer. Dette letter effektiv adskillelse af værdifulde metaller og materialer.
5. Reduceret energiforbrug: Sammenlignet med begge, den hydrometallurgiske og især pyrometallurgiske metoder, er ultralydsgenbrug generelt mere energieffektiv, hvilket fører til lavere driftsomkostninger og reduceret kulstoffodaftryk.
6. Skalerbarhed og fleksibilitet: Ultralydssystemer kan let skaleres op eller ned for at imødekomme forskellige batteristørrelser og produktionskapaciteter. Derudover kan ultralydapparater til genbrug af batterier let integreres i allerede eksisterende batterigenbrugsfaciliteter. Ultralydapparater er let tilgængelige på forskellige effektskalaer og matchende tilbehør såsom ultralydssonder og flowcellereaktorer, og kan håndtere batterikomponenter i forskellige størrelser og produktionskapaciteter, hvilket giver skalerbarhed og tilpasningsevne i genbrugsprocesser.
7. Synergistisk integration: Ultralydsudvaskning kan integreres i eksisterende hydrometallurgiske batterigenbrugslinjer for at intensivere og forbedre den hydrometallurgiske udvaskning af værdifulde metaller og materialer fra brugte Li-ion-batterier.

Samlet set viser genbrug af ultralydsbatterier lovende som en mere miljøvenlig, effektiv og selektiv metode sammenlignet med traditionelle pyrometallurgiske og hydrometallurgiske tilgange.

 

Industriel ultralydsudvaskning til metalgenvinding fra brugte batterier

Ultralydsudvaskning og metalekstraktion kan anvendes til genanvendelsesprocesser af lithiumkoboltoxidbatterier (f.eks. fra bærbare computere, smartphones osv.) samt af komplekse lithium-nikkel-mangan-koboltbatterier (f.eks. fra elektriske køretøjer).
Ultralyd med høj effekt er kendt for sin evne til at behandle kemiske væsker og opslæmninger for at forbedre masseoverførslen og igangsætte kemiske reaktioner.
De intense virkninger af ultralydbehandling er baseret på fænomenet akustisk kavitation. Ved at koble ultralyd med høj effekt i væsker / gylle genererer de vekslende lavtryks- og højtryksbølger i væsker små vakuumbobler. De små vakuumhulrum vokser over forskellige lavtryks-/højtrykscyklusser, indtil de imploderer voldsomt. De kollapsende vakuumbobler kan betragtes som mikroreaktorer, hvor temperaturer på op til 5000K, tryk på op til 1000atm og opvarmnings- og kølehastigheder over 10^-10 ske. Desuden genereres stærke hydrodynamiske forskydningskræfter og væskestråler med en hastighed på op til 280 m/s. Disse ekstreme betingelser for akustisk kavitation skaber ekstraordinære fysiske og kemiske forhold i ellers kolde væsker og skaber et gavnligt miljø for kemiske reaktioner (såkaldt Sonokemi).

Ultralydgenereret kavitation kan inducere termolyse af opløste stoffer samt dannelse af stærkt reaktive radikaler og reagenser, såsom frie radikaler, hydroxidioner (•OH,) hydronium (H₃O+) osv., som giver ekstraordinære reaktive forhold i væsken, så reaktionshastigheden øges betydeligt. Faste stoffer som partikler accelereres af væskestrålerne og fræses ved interspeciel kollision og slid, hvilket øger det aktive overfladeareal og derved masseoverførsel.
Den store fordel ved ultralydsudvaskning og metalgenvinding er den præcise kontrol over procesparametrene såsom amplitude, tryk og temperatur. Disse parametre gør det muligt at justere reaktionsbetingelserne nøjagtigt til procesmediet og det målrettede output. Desuden fjerner ultralydsudvaskning selv de mindste metalpartikler fra underlaget, samtidig med at mikrostrukturer bevares. Den forbedrede metalgenvinding skyldes ultralydsskabelsen af meget reaktive overflader, øgede reaktionshastigheder og forbedret massetransport. Sonikeringsprocesser kan optimeres ved at påvirke hver parameter og er derfor ikke kun meget effektive, men også meget energieffektive.
Dens nøjagtige parameterkontrol og energieffektivitet gør ultralydsudvaskning til den gunstige og fremragende teknik – især sammenlignet med komplicerede syreudvasknings- og chelateringsteknikker.

Ultralydsgenvinding af LiCoO₂ fra brugte lithium-ion-batterier

Ultralydbehandling hjælper den reduktive udvaskning og kemisk udfældning, som bruges til at genoprette Li som Li₂CO₃ og Co som Co(OH)₂ fra udtjente lithium-ion-batterier.
Zhang et al. (2014) rapporterer om en vellykket genopretning af LiCoO₂ ved hjælp af en ultralydsreaktor. for at forberede startopløsningen på 600 ml placerede de 10 g ugyldig LiCoO₂ pulver i et bægerglas og tilsat 2,0 mol/l LiOH-opløsning, som blev blandet.
Blandingen blev hældt i ultralydsbestrålingen, og omrøringsanordningen startede, omrøringsanordningen blev placeret i det indre af reaktionsbeholderen. Den blev opvarmet til 120◦C, og derefter ultralyd enhed blev indstillet til 800W, og ultralydsvirkningstilstanden blev indstillet til pulserende driftscyklusser på 5 sek. ON / 2sec. OFF. Ultralydsbestrålingen blev påført i 6 timer, og derefter afkølede reaktionsblandingen til stuetemperatur. Den faste rest blev vasket flere gange med deioniseret vand og tørret ved 80◦C indtil konstant vægt. Den opnåede prøve blev indsamlet til efterfølgende test og batteriproduktion. Opladningskapaciteten i den første cyklus er 134.2mAh/g, og afladningskapaciteten er 133.5mAh/g. Førstegangsopladnings- og afladningseffektiviteten var 99,5 %. Efter 40 cyklusser er afladningskapaciteten stadig 132,9 mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Ultralydsudvaskning med organiske syrer såsom citronsyre er ikke kun effektiv, men også miljøvenlig. Forskning viste, at udvaskningen af Co og Li er mere effektiv med citronsyre end med de uorganiske syrer H2SO4 og HCl. Mere end 96 % Co og næsten 100 % Li blev genvundet fra brugte lithium-ion-batterier. Det faktum, at organiske syrer såsom citronsyre og eddikesyre er billige og biologisk nedbrydelige, bidrager til yderligere økonomiske og miljømæssige fordele ved sonikering.

Højeffekt industriel ultralyd til metaludvaskning fra brugte batterier

Hielscher Ultrasonics er din mangeårige leverandør til meget effektive og pålidelige ultralydssystemer, der leverer den nødvendige kraft til udvaskning af metaller fra affaldsmaterialer. For at oparbejde li-ion-batterier ved at udvinde metaller som kobolt, lithium, nikkel og mangan er kraftfulde og robuste ultralydssystemer afgørende. Hielscher Ultrasonics industrielle enheder såsom UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) og UIP16000 (16kW) er de mest kraftfulde og robuste højtydende ultralydssystemer på markedet. Alle vores industrienheder kan køres kontinuerligt med meget høje amplituder på op til 200 μm i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige. Robustheden af Hielscher ultralydsudstyr giver mulighed for 24/7 drift ved tunge og i krævende miljøer. Hielscher leverer også specielle sonotroder og reaktorer til høje temperaturer, tryk og ætsende væsker. Dette gør vores industrielle ultralydapparater bedst egnede til ekstraktive metallurgiteknikker, f.eks. hydrometallurgiske behandlinger.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:

---

---

Litteratur/Referencer

• Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): Recovery of lithium and cobalt from spent lithium-ion batteries using organic acids: Process optimization and kinetic aspects. Waste Management 64, 2017. 244–254.
• Shin S.-M.; Lee D.-W.; Wang J.-P. (2018): Fabrication of Nickel Nanosized Powder from LiNiO₂ from Spent Lithium-Ion Battery. Metals 8, 2018.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO₂ from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Recovery of Lithium Cobalt Oxide Material from the Cathode of Spent Lithium-Ion Batteries. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.