Ultralyd gør genanvendelse af lithium-ion-batterier mere effektiv

Lithium er et knapt og meget værdifuldt materiale, der findes i højtydende batterier såsom Li-ion-batterier. Lithium er det mest værdifulde materiale, der genvindes ved genanvendelse af Li-ion-batterier, men også andre mineraler og metaller såsom kobolt, mangan, nikkel, kobber og aluminium er værdifulde metaller at genvinde. Sonikering med høj intensitet anvendes som en omrørings- og udvaskningsteknik med høje forskydningskræfter til at udvinde, fjerne og opløse værdifulde mineraler og metaller fra udtjente batterier. Sonikeringsmetoden er yderst virkningsfuld, energieffektiv og let tilgængelig til installation i genanvendelsesanlæg i fuld kommerciel skala.

Oversigt: Processen til genanvendelse af Li-ion-batterier

Processen til genvinding af ædelmetaller og materialer fra udtjente Li-ion-batterier omfatter typisk flere trin. Her er en generel oversigt:

1. Indsamling og sortering: Udtjente Li-ion-batterier indsamles og sorteres efter deres typer og kemiske sammensætning.
2. Adskillelse: Først brydes batteriets plastdæksel op og fjernes. Derefter anbringes det blotlagte batteri i flydende nitrogen for at neutralisere reaktive, eksplosive stoffer. Dette trin sikrer, at en pludselig frigivelse af al lagret energi og den efterfølgende antændelse og eksplosion, der er forbundet hermed, forhindres. Derefter adskilles batterierne for at separere de forskellige komponenter såsom katoden, anoden, elektrolytten og kabinettet.
3. Findeling: De adskilte batterier findeles i mindre stykker for at øge overfladearealet til de efterfølgende processer.
4. Delaminering af elektroder: Før behandlingen til metaludvinding skal de isolerede elektroder, dvs. katoden og anoden, adskilles yderligere. Da katodematerialet generelt er fastgjort til aluminiumsfolie med et bindemiddel, almindeligvis polyvinylidenfluorid (PVDF) eller polytetrafluorethylen (PTFE), er det vanskeligt at adskille katoden og aluminiumsfolien fra hinanden.
5. Kemisk behandling: De findelte batterikomponenter gennemgår forskellige kemiske behandlinger for at opløse og separere de forskellige materialer. Dette kan omfatte udvaskning med syre eller andre opløsningsmidler for at udvinde værdifulde metaller såsom lithium, kobolt, nikkel og kobber.
6. Genvinding og rensning: De opløste metaller genvindes derefter fra opløsningen gennem processer såsom udfældning, solventekstraktion eller elektrokemiske metoder. Disse trin hjælper med at rense og koncentrere ædelmetallerne.

Sonikering forbedrer genvindingen af ædelmetaller

Effektultralyd kan forbedre trinnene med delaminering af elektroder og udvaskning af ædelmetaller og materialer ved at intensivere reaktionerne og dermed gøre genvindingsprocessen betydeligt mere effektiv. Sonikering er en teknik, der anvender ultralydsbølger med høj intensitet til at skabe mekaniske vibrationer og akustisk kavitation i et flydende medium. De stærke kræfter fra sonikering anvendes til at forbedre processen til genvinding af ædelmetaller fra udtjente Li-ion-batterier på flere måder:
 

1. Disintegration: Sonikering nedbryder de findelte batterimaterialer, så der dannes mindre partikler. Mindre partikler giver et større overfladeareal, hvilket gør den kemiske udvaskning mere effektiv og bidrager til frigørelsen af værdifulde metaller.
2. Forbedret udvaskning: Anvendelse af sonikering under udvaskningsprocesser kan forbedre kontakten mellem det faste materiale og udvaskningsopløsningen og dermed øge effektiviteten af metaludvindingen. Ultralydsudvaskning fremmer metaludvindingen og øger udbyttet af genvundne metaller og mineraler såsom kobolt, mangan, nikkel, kobber og aluminium.
3. Forbedret delaminering af elektroder: Formålet med delaminering af elektroder under genanvendelse af batterier er at separere de forskellige komponenter såsom elektroder, elektrolytter og separatorer, så de kan videreforarbejdes eller genanvendes hver for sig. Sonikering hjælper med at løsne og fjerne belægninger fra elektroden. Sonomekaniske kræfter fremmer en effektiv adskillelse af elektrodernes lag.
4. Accelererede reaktioner: Sonikering fremmer hurtigere og mere grundig blanding, hvilket kan accelerere kemiske reaktioner under trinnene til metalgenvinding og rensning.
5. Reduceret energiforbrug: Sonikering kan forbedre proceseffektiviteten og reducere den tid og energi, der kræves til metalgenvinding fra udtjente batterier.

 
Sonikering kan bidrage positivt til at forbedre processen til genvinding af ædelmetaller og materialer fra udtjente Li-ion-batterier ved at øge virkningsgraden og effektiviteten af de forskellige trin i genanvendelsesprocessen.
Procestrinnene med ultralydsudvaskning af metaller og delaminering af elektroder kan tilpasses individuelle genanvendelsesprocesser, som kan variere, efterhånden som virksomheder med speciale i genanvendelse af Li-ion-batterier udvikler og ændrer deres processer for at opnå den højeste effektivitet.

Ultralydskavitation til katodeseparation

Sonikering separerer katodematerialer fra aluminiumsfolie ved hjælp af virkningerne af akustisk kavitation. Akustisk kavitation eller ultralydskavitation er karakteriseret ved lokalt forekommende høje tryk, høje temperaturer og deres efterfølgende fald, som medfører tilsvarende tryk- og temperaturforskelle samt intens mikroturbulens og mikrostråler med høje forskydningskræfter. Disse kavitationskræfter påvirker grænseflader, fremmer masseoverførsel og forårsager erosion. Ved at generere sådanne intense kræfter af kemisk, fysisk, termisk og mekanisk art skaber ultralydskavitation den nødvendige omrøring og masseoverførsel til at bryde strukturen i det organiske bindemiddel, der anvendes i lithium-ion-batterier til at fastgøre katoden til strømkollektoren / aluminiumsfolien.
Mens mekanisk bevægelse såsom omrøring alene ikke er tilstrækkelig til effektivt at løsne katodematerialet fra aluminiumsfolien, leverer sonikering med høj intensitet den nødvendige sonokemiske og sonomekaniske energi til at fjerne katodematerialet fuldstændigt fra strømkollektorerne. I modsætning til mekanisk omrøring genererer ultralydskavitation intens turbulens, lokalt høje temperaturer og tryk samt omrøring, strømning og væskestråler, som nedbryder bindemidlet, f.eks. PVDF eller PTFE, der forbinder katoden med Al-folien, og eroderer overfladen på både katoden og Al-folien. Derved nedbrydes bindemidlet mellem de to materialer grundigt, og katoden og aluminiumsfolien separeres effektivt.
Eksempelvis giver ultralydsseparation en høj effektivitet ved katodefjernelse på 99% ved anvendelse af N-methyl-2-pyrrolidon (NMP) som opløsningsmiddel ved 70°C (240 W ultralydseffekt og 90 min ultralydsbehandlingstid). Da katodeseparation med ultralyd dispergerer materialet jævnt og forhindrer større agglomerater, lettes den efterfølgende metaludvaskningsproces.
Læs mere om delaminering af elektroder med ultralyd til genvinding af aktive materialer og strømkollektorfolier!

Ultralydsudvaskning af mineraler

De ovenfor beskrevne virkninger af ultralydskavitation fremmer også udvaskningen af metaller fra udtjente batterier. Sonikering med høj intensitet anvendes ikke kun til at genvinde mineraler ved genanvendelse af batterier, men anvendes også ofte inden for hydrometallurgi og udvaskning af værdifulde malme (f.eks. mineaffald). De høje lokale temperaturer, tryk og forskydningskræfter intensiverer metaludvaskningen og øger udvaskningseffektiviteten betydeligt. Mens der lokalt i kavitationens hotspots forekommer meget ekstreme temperaturer på op til 1000 K, kræver de overordnede udvaskningsbetingelser kun en moderat temperatur på ca. 50–60°C. Dette gør metalgenvinding med ultralyd energieffektiv og økonomisk.
Ultralydsudvaskning af mineraler fra udtjente Li-ion-batterier er karakteriseret ved høje genvindingsgrader og høj effektivitet. Eksempelvis blev svovlsyre (H2SO4) med succes anvendt som udvaskningsmiddel i tilstedeværelse af hydrogenperoxid (H2O2) under mineralgenvinding fra katoden med ultralyd. Ultralydsudvaskning med svovlsyre resulterede i genvindingsgrader på henholdsvis 94,63% for kobolt og 98,62% for lithium.
Ultralydsudvaskning med den organiske syre citronsyre (C6H8O7·H2O) giver meget høje genvindingsgrader for kobber og lithium, idet der genvindes 96% kobber og næsten 100% lithium fra de udtjente Li-ion-batterier.

Enkelt og sikkert: Opskalering af ultralyd fra gennemførlighedstest til industriel genanvendelse

Højtydende ultralydsudstyr til genanvendelse af Li-ion-batterier er let tilgængeligt til installation i bord-, pilot- og industriskala. Da katodeseparation med ultralyd og ultralydsudvaskning af mineraler fra udtjente batterier allerede er etablerede processer, er forløbet fra de første forsøg over optimering til dine specifikke proceskrav til installation af et ultralydssystem til separation og/eller udvaskning i fuld industriskala hurtigt og enkelt.
Læs mere om fordelene ved ultralydsudvaskning til bæredygtig genanvendelse af batterier og urban minedrift!

Højtydende sonikeringsapparater til genanvendelse af batterier

Hielscher Ultrasonics leverer højtydende sonikeringsapparater i enhver størrelse og med enhver kapacitet. Med UIP16000 (16kW) fremstiller Hielscher verdens kraftigste ultralydsprocessor. UIP16000 samt alle andre industrielle ultralydssystemer kan nemt samles i klynger for at opnå den nødvendige behandlingskapacitet. Alle sonikeringsapparater fra Hielscher er konstrueret til 24/7-drift under fuld belastning og i krævende miljøer.
De industrielle ultralydsprocessorer fra Hielscher Ultrasonics kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås kundetilpassede ultralydssonotroder.

Ultralydssonder og sonoreaktorer til ethvert volumen

Hielscher Ultrasonics’ produktsortiment dækker hele spektret af ultralydsprocessorer fra kompakte sonikeringsapparater til laboratorier over bord- og pilotsystemer til ultralydsprocessorer i fuld industriskala med kapacitet til at behandle hele lastbillæs pr. time. Det fulde produktsortiment gør det muligt for os at tilbyde dig det bedst egnede ultralydsudstyr til din anvendelse, proceskapacitet og dine produktionsmål.

Præcist regulerbare amplituder til optimale resultater

Alle ultralydsprocessorer fra Hielscher kan reguleres præcist og er dermed pålidelige arbejdsheste inden for forskning og udvikling samt produktion. Amplituden er en af de afgørende procesparametre, der påvirker effektiviteten og virkningsgraden af sonokemisk og sonomekanisk inducerede reaktioner. Alle processorer fra Hielscher Ultrasonics muliggør præcis indstilling af amplituden. Sonotroder og forstærkerhorn er tilbehør, der gør det muligt at ændre amplituden inden for et endnu bredere område. De industrielle ultralydsprocessorer fra Hielscher kan levere meget høje amplituder og den nødvendige ultralydsintensitet til krævende anvendelser. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift.
Præcise amplitudeindstillinger og permanent overvågning af ultralydsprocesparametrene via intelligent software giver dig mulighed for at separere katoden fra aluminiumsfolien samt udvaske mineraler og metaller fra udtjente Li-ion-batterier under de mest virkningsfulde ultralydsbetingelser. Optimal sonikering til den mest effektive genanvendelse af Li-ion-batterier!
Robustheden af sonikeringsapparaterne fra Hielscher muliggør 24/7-drift under hård belastning og i krævende miljøer. Dette gør sonikeringsapparater fra Hielscher til et pålideligt arbejdsredskab, der opfylder kravene til din genanvendelsesproces.

Højeste kvalitet – udviklet og fremstillet i Tyskland

Som en familieejet og familiedrevet virksomhed prioriterer Hielscher de højeste kvalitetsstandarder for sine ultralydsprocessorer. Alle sonikeringsapparater udvikles, fremstilles og testes grundigt på vores hovedkontor i Teltow nær Berlin i Tyskland. Robustheden og pålideligheden af Hielschers ultralydsudstyr gør det til en arbejdshest i din produktion. 24/7-drift under fuld belastning og i krævende miljøer er en naturlig egenskab ved Hielschers højtydende ultralydssonder og reaktorer.

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

Værd at vide

Hvad er lithium-ion-batterier?

Et lithium-ion-batteri, også kaldet et Li-ion-batteri, er en type genopladeligt batteri. Sammenlignet med bly- og nikkelbaserede batterier anvender lithium-ion-enheder en katode, en anode og en elektrolyt som leder.
Som alle batterier lagrer Li-ion-batterier kemisk energi, som derefter omdannes til elektrisk energi for at levere en statisk elektrisk ladning til strømforsyning.
Lithium-ion-batterier anvendes almindeligvis til bærbar elektronik såsom bærbare computere og smartphones samt til elektriske køretøjer. Anvendelsen af Li-ion-batterier vækker også stigende interesse hos militæret og virksomheder inden for luft- og rumfart.