Ultralyd til genanvendelse af lithiumionbatterier

• Lithiumionbatterier, der bruges i elbiler, er først nu ved at nå massemarkedet, og derfor skal der udvikles kapacitet til genanvendelse.
• Ultralydsudludning er en effektiv, miljøvenlig teknik til at genvinde metaller såsom Li, Mg, Co, Ni osv. fra udtjente lithiumionbatterier.
• Hielschers industrielle ultralydssystemer til udludning er pålidelige og robuste og kan nemt integreres i eksisterende genanvendelsesanlæg.

Genanvendelse af lithiumionbatterier

Lithiumionbatterier anvendes i vid udstrækning i elektriske køretøjer (EV), bærbare computere og mobiltelefoner. Det betyder, at udtjente lithiumionbatterier er en aktuel udfordring inden for affaldshåndtering og genanvendelse. Batterierne er en væsentlig omkostningsfaktor for elektriske køretøjer, og deres bortskaffelse er også dyr. Miljømæssige og økonomiske hensyn taler for et lukket genanvendelseskredsløb, da batteriaffaldet indeholder værdifulde materialer og bidrager til at reducere kulstofaftrykket fra fremstillingen af lithiumionbatterier.
Genanvendelse af lithiumionbatterier er ved at udvikle sig til en blomstrende industrisektor for at sikre den fremtidige tilgængelighed af sjældne jordartsmetaller og andre batterikomponenter og reducere de miljømæssige omkostninger ved minedrift.

Pyrometallurgisk og hydrometallurgisk genanvendelse sammenlignet med genanvendelse af batterier med ultralyd

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

Ulemperne ved konventionel genanvendelse af batterier

Traditionelle metoder til genanvendelse af lithiumionbatterier omfatter pyrometallurgiske og hydrometallurgiske processer.
 
Pyrometallurgiske metoder omfatter højtemperaturprocesser såsom smeltning eller forbrænding. Batterierne udsættes for ekstrem varme, hvilket får de organiske komponenter til at brænde af, mens de resterende metalliske komponenter smeltes og adskilles. Disse metoder har dog nogle ulemper:

• Miljøpåvirkning: Pyrometallurgiske processer frigiver skadelige emissioner og forurenende stoffer til atmosfæren, hvilket bidrager til luftforurening og potentielt medfører sundhedsrisici.
• Materialetab: Højtemperaturprocesser kan medføre 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 omfatter kemisk udludning for at opløse batterikomponenterne og udvinde værdifulde metaller. Selvom hydrometallurgi er mere miljøvenlig end pyrometallurgiske metoder, har den sine egne ulemper:

• Kemikalieforbrug: Stærke syrer eller andre ætsende kemikalier er nødvendige til udludning, hvilket giver anledning til bekymringer om kemikaliehåndtering, affaldshåndtering og potentiel miljøforurening.
• Udfordringer med selektivitet: Det kan være vanskeligt at opnå selektiv udludning af de ønskede metaller, hvilket fører til lavere genvindingsgrader og potentielt tab af værdifulde ressourcer.

 

Fordele ved ultralydsudludning af batterier frem for konventionelle teknikker

Sammenlignet med både pyrometallurgiske og hydrometallurgiske genanvendelsesteknikker er teknikken til genanvendelse af batterier med ultralyd overlegen på grund af forskellige fordele:

1. Øget effektivitet: Sonikering kan fremskynde nedbrydningen af batterimaterialer, hvilket resulterer i kortere behandlingstider og højere samlet effektivitet.
2. Forbedrede genvindingsgrader: Den kontrollerede anvendelse af ultralydskavitation forbedrer nedbrydningen af batterikomponenter og øger genvindingsgraderne for værdifulde metaller.
3. Miljøvenlig: Genanvendelse med ultralyd reducerer afhængigheden af høje temperaturer og aggressive kemikalier, hvilket minimerer miljøpåvirkningen og sænker emissionerne af forurenende stoffer.
4. Selektiv udludning: Den kontrollerede anvendelse af ultralyd muliggør målrettet nedbrydning af specifikke komponenter i batteriet, så de adskilles effektivt. Da forskellige genanvendelige batteriforbindelser fjernes og opløses ved specifikke ultralydsintensiteter, muliggør optimerede procesparametre selektiv udludning af individuelle materialer. Dette letter den effektive adskillelse af værdifulde metaller og materialer.
5. Reduceret energiforbrug: Sammenlignet med både hydrometallurgiske og især pyrometallurgiske metoder er genanvendelse med ultralyd generelt mere energieffektiv, hvilket fører til lavere driftsomkostninger og et reduceret kulstofaftryk.
6. Skalerbarhed og fleksibilitet: Ultralydssystemer kan nemt skaleres op eller ned for at tilpasses forskellige batteristørrelser og produktionskapaciteter. Desuden kan ultralydsapparater til genanvendelse af batterier nemt integreres i allerede eksisterende anlæg til genanvendelse af batterier. Ultralydsapparater er lettilgængelige på forskellige effektniveauer og med passende tilbehør såsom ultralydsprober og gennemstrømningsreaktorer og kan håndtere batterikomponenter i forskellige størrelser og forskellige produktionskapaciteter, hvilket giver skalerbarhed og tilpasningsevne i genanvendelsesprocesserne.
7. Synergistisk integration: Ultralydsudludning kan integreres i eksisterende hydrometallurgiske proceslinjer til genanvendelse af batterier for at intensivere og forbedre den hydrometallurgiske udludning af værdifulde metaller og materialer fra udtjente lithiumionbatterier.

Samlet set viser genanvendelse af batterier med ultralyd potentiale som en mere miljøvenlig, effektiv og selektiv metode sammenlignet med traditionelle pyrometallurgiske og hydrometallurgiske tilgange.

 

Industriel ultralydsudludning til genvinding af metaller fra udtjente batterier

Ultralydsudludning og metalekstraktion kan anvendes i genanvendelsesprocesser for lithiumkoboltoxidbatterier (f.eks. fra bærbare computere, smartphones osv.) såvel som komplekse lithium-nikkel-mangan-koboltbatterier (f.eks. fra elektriske køretøjer).
Ultralyd med høj effekt er velkendt for sin evne til at behandle kemiske væsker og opslæmninger for at forbedre masseoverførslen og igangsætte kemiske reaktioner.
De intense virkninger af sonikering med høj effekt er baseret på fænomenet akustisk kavitation. Ved at koble ultralyd med høj effekt ind i væsker / opslæmninger danner de vekslende lavtryks- og højtryksbølger i væskerne små vakuumbobler. De små vakuumhulrum vokser gennem flere 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 afkølingshastigheder over 10^-10 forekommer. Desuden dannes kraftige hydrodynamiske forskydningskræfter og væskestråler med hastigheder på op til 280m/s. Disse ekstreme forhold ved akustisk kavitation skaber usædvanlige fysiske og kemiske forhold i ellers kolde væsker og skaber et gunstigt miljø for kemiske reaktioner (såkaldt sonokemi).

Ultralydsgenereret kavitation kan fremkalde termolyse af opløste stoffer samt dannelse af meget reaktive radikaler og reagenser såsom frie radikaler, hydroxidioner (•OH,), hydronium (H₃O+) osv., som skaber usædvanligt reaktive forhold i væsken, så reaktionshastigheden øges betydeligt. Faste stoffer såsom partikler accelereres af væskestrålerne og findeles gennem kollisioner mellem partiklerne og abrasion, hvilket øger det aktive overfladeareal og dermed masseoverførslen.
Den store fordel ved ultralydsudludning og genvinding af metaller er den præcise kontrol over procesparametre såsom amplitude, tryk og temperatur. Disse parametre gør det muligt at tilpasse reaktionsbetingelserne nøjagtigt til procesmediet og det ønskede resultat. Desuden fjerner ultralydsudludning selv de mindste metalpartikler fra substratet, samtidig med at mikrostrukturerne bevares. Den forbedrede genvinding af metaller skyldes dannelsen af meget reaktive overflader ved hjælp af ultralyd, øgede reaktionshastigheder og forbedret massetransport. Sonikeringsprocesser kan optimeres ved at påvirke hver enkelt parameter og er derfor ikke kun meget effektive, men også særdeles energieffektive.
Den nøjagtige parameterkontrol og energieffektiviteten gør ultralydsudludning til den fordelagtige og overlegne teknik – især sammenlignet med komplicerede teknikker til syreudludning og chelatdannelse.

Genvinding af LiCoO₂ fra udtjente lithiumionbatterier ved hjælp af ultralyd

Sonikering understøtter den reduktive udludning og kemiske udfældning, som bruges til at genvinde Li som Li₂CO₃ og Co som Co(OH)₂ fra kasserede lithiumionbatterier.
Zhang et al. (2014) rapporterer om vellykket genvinding af LiCoO₂ ved hjælp af en ultralydsreaktor. For at fremstille startopløsningen på 600mL anbragte de 10g uanvendeligt pulver af LiCoO₂ i et bægerglas og tilsatte en LiOH-opløsning med en koncentration på 2,0mol/L, hvorefter indholdet blev blandet.
Blandingen blev hældt over til ultralydsbestråling, og omrøreren blev startet; omrøreren var placeret inde i reaktionsbeholderen. Blandingen blev opvarmet til 120◦C, og derefter blev ultralydsapparatet indstillet til 800W, og ultralydens driftsform blev indstillet til pulserede arbejdscyklusser på 5 sek. TIL / 2sek. FRA. Ultralydsbestrålingen blev anvendt i 6h, og derefter blev reaktionsblandingen afkølet til stuetemperatur. Den faste rest blev vasket flere gange med deioniseret vand og tørret ved 80◦C til konstant vægt. Den opnåede prøve blev indsamlet til efterfølgende test og batteriproduktion. Ladekapaciteten i den første cyklus er 134,2mAh/g, og afladningskapaciteten er 133,5mAh/g. Lade- og afladningseffektiviteten i den første cyklus var 99,5%. Efter 40 cyklusser er afladningskapaciteten stadig 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Ultralydsudludning med organiske syrer såsom citronsyre er ikke kun effektiv, men også miljøvenlig. Forskning har vist, at udludning 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 udtjente lithiumionbatterier. Det forhold, at organiske syrer såsom citronsyre og eddikesyre er billige og biologisk nedbrydelige, bidrager til yderligere økonomiske og miljømæssige fordele ved sonikering.

Industriel ultralyd med høj effekt til udludning af metaller fra udtjente batterier

Hielscher Ultrasonics er din leverandør med mange års erfaring inden for meget effektive og pålidelige ultralydssystemer, som leverer den nødvendige effekt til at udlude metaller fra affaldsmaterialer. Kraftige og robuste ultralydssystemer er afgørende for at oparbejde lithiumionbatterier ved at udvinde metaller såsom kobolt, lithium, nikkel og mangan. Hielscher Ultrasonics’ industrielle enheder såsom UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) og UIP16000 (16kW) er de kraftigste og mest robuste højtydende ultralydssystemer på markedet. Alle vores industrielle enheder kan køre kontinuerligt med meget høje amplituder på op til 200µm i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder. Hielschers ultralydsudstyrs robusthed muliggør 24/7-drift under høj belastning og i krævende miljøer. Hielscher leverer også særlige sonotroder og reaktorer til høje temperaturer, høje tryk og ætsende væsker. Dette gør vores industrielle ultralydsapparater særdeles velegnede til ekstraktive metallurgiske teknikker, f.eks. hydrometallurgiske behandlinger.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

---

---

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.