Ultraschallgestützte Laugung verändert das Batterierecycling und Urban Mining

Gebrauchte Batterien und Elektronikschrott enthalten zahlreiche wertvolle Materialien wie Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt, die für den wachsenden Bedarf in den Bereichen erneuerbare Energien und Elektrofahrzeuge unverzichtbar sind. Urban Mining – die Rückgewinnung dieser Metalle aus ausgedienten Batterien und anderem Elektronikschrott – ist ein vielversprechender Weg zu einer Kreislaufwirtschaft, der den Bedarf an der bergbaulichen Gewinnung primärer Rohstoffe verringert und Abfälle minimiert. Eine Schlüsseltechnik in diesem Bereich ist die Ultraschallbehandlung, die erhebliche Vorteile bei der Steigerung der Metallrückgewinnungsraten, der Verkürzung der Verarbeitungszeiten und der Verbesserung der Nachhaltigkeit gezeigt hat.

Die Leistungsfähigkeit der Ultraschallbehandlung beim Batterierecycling und Urban Mining: Ein grundlegender Fortschritt für die nachhaltige Rohstoffrückgewinnung

Eine aktuelle Studie von Canciani et al. (2024) untersucht die Auswirkungen der Ultraschallkavitation – winzige Stoßwellen, die durch Ultraschallwellen hoher Intensität erzeugt werden – auf den Laugungsprozess beim Batterierecycling. Ihre Forschung zeigt, dass die Ultraschallbehandlung das herkömmliche Recycling nicht nur geringfügig verbessert; sie verändert grundlegend, wie der Recyclingprozess mit dem Batteriematerial wechselwirkt, und macht ihn schneller, effizienter und weniger abhängig von aggressiven Chemikalien.
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Die ultraschallgestützte Säurelaugung erfolgt zwölfmal so schnell wie die herkömmliche Säurelaugung, da die nahe der Oberfläche platzenden Kavitationsblasen eine vorteilhafte mechanische Wirkung entfalten. Dieses Phänomen verbessert die Durchmischung der Säurelösung und damit die Transporteigenschaften.
Bild und Studie: © Canciani et al., 2024

Wie die Ultraschallbehandlung beim Batterierecycling funktioniert

Beim üblichen Batterierecycling werden Kathodenmaterialien, die wertvolle Metalle enthalten, in einer sauren Lösung aufgelöst. Dieser Prozess wird als „Laugung“ bezeichnet. Dieser Ansatz ermöglicht die Abtrennung und Rückgewinnung von Metallen aus der festen Struktur der Batterie. Die herkömmliche Laugung ist jedoch zeitaufwendig und dauert oft Stunden, bis eine erhebliche Metallrückgewinnung erreicht wird. Sie erfordert außerdem starke Säuren und hohe Temperaturen, was Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen aufwirft.
Die Ultraschallbehandlung verändert diesen Prozess, indem Ultraschallwellen direkt in die Laugungslösung eingebracht werden. In der 2024 veröffentlichten Studie von Canciani et al. testeten die Forschenden diese Technik mit einem Batterieersatzmaterial, Lithium-Kobalt-Nickel-Mangan-Oxid (NMC). Durch den Einsatz von Ultraschallwellen mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude stellten sie fest, dass Ultraschallkavitation die Laugungszeit um über 80% reduziert. Statt Stunden dauerte der Prozess nur noch wenige Minuten, was eine revolutionäre Effizienzsteigerung darstellt.

Die Rolle der Ultraschallbehandlung bei der verbesserten Laugung: Die wissenschaftlichen Grundlagen von Stofftransport und Geschwindigkeit

Die Ultraschallbehandlung beschleunigt nicht nur die Laugung; sie verändert auch die Art und Weise, wie die saure Lösung mit den Batteriepartikeln wechselwirkt. Hochleistungsultraschall erzeugt Millionen mikroskopisch kleiner Blasen, die in der Lösung rasch kollabieren – ein Phänomen, das als Kavitation bezeichnet wird. Dieser Vorgang erzeugt starke lokale Kräfte, die Partikel an der Oberfläche zerkleinern und die Wechselwirkung zwischen der Säure und den Metallen im Batteriematerial verstärken.
Laut Canciani et al. (2024) hat dieser Prozess zwei wesentliche Auswirkungen auf die Batteriematerialien: Er erhöht die Porosität der Partikel und verringert ihre Größe, wodurch die Oberfläche stark zunimmt. Durch die größere Oberfläche kann die Säure umfassender mit dem Material wechselwirken, was eine schnellere Laugung ermöglicht. Die Autoren beobachteten, dass das Porenvolumen in ultraschallbehandelten Proben im Vergleich zu herkömmlich verarbeiteten Proben um eine Größenordnung zunahm. Dadurch entstehen mehr Zugangswege, über die die Säure den Metallanteil auflösen kann.

REM-Aufnahmen von Partikeln zu verschiedenen Zeitpunkten der herkömmlichen (a–c) und ultraschallgestützten (d–f) Laugung.
Bild und Studie: © Canciani et al., 2024

Ultraschallgestützte Laugung: Verbesserte Transporteigenschaften und Mikromischung

Die Studie legt außerdem nahe, dass Ultraschallkavitation nicht nur den Oberflächenkontakt verstärkt, sondern auch die Transporteigenschaften erheblich verbessert. Im Wesentlichen bedeutet dies, dass sich die Säure gleichmäßiger über die Batteriepartikel verteilt, wobei die kavitationsbedingte Mikromischung für einen gleichmäßigen Kontakt sorgt. Dadurch entsteht eine homogenisierte Reaktionsumgebung, in der die Säure Metalle wirksamer und gleichmäßiger auflösen kann.
Ein weiteres bemerkenswertes Ergebnis ist, dass die Vorteile der Ultraschallkavitation über die Verringerung der Partikelgröße hinausgehen. Die Forschenden stellten fest, dass Kavitation den Wechselwirkungsmechanismus zwischen der Säure und den Partikeln verändert, wahrscheinlich aufgrund eines verbesserten Transports durch die Grenzschicht. Vereinfacht ausgedrückt verringert Kavitation die Dicke der Flüssigkeitsschicht, die jedes Partikel umgibt, und ermöglicht dadurch eine schnellere Auflösung der Metalle.

Partikelgrößenverteilungen nach ultraschallgestützter und herkömmlicher Laugung
Bild und Studie: © Canciani et al., 2024

Vorteile für Urban Mining und Nachhaltigkeit

Die Wirksamkeit der Ultraschallbehandlung beim Batterierecycling birgt enormes Potenzial für die Zukunft des Urban Mining und der nachhaltigen Rohstoffrückgewinnung. Die Ergebnisse von Canciani et al. (2024) deuten darauf hin, dass die Ultraschallbehandlung umweltschädliche Verfahren ersetzen oder die Abhängigkeit von ihnen verringern wird, indem sie:

• Den Chemikalieneinsatz reduziert: Die ultraschallgestützte Laugung ermöglicht den Einsatz umweltfreundlicherer Lösungsmittel wie Essigsäure anstelle der aggressiveren Säuren, die typischerweise für die herkömmliche Laugung benötigt werden.
• Den Energiebedarf senkt: Mit Ultraschallbehandlung erfolgt die Laugung schnell bei Raumtemperatur, ohne dass ein längeres Erhitzen erforderlich ist. Dies reduziert den Energieverbrauch und die Emissionen.
• Die Materialrückgewinnung erhöht: Eine verbesserte Wechselwirkung an der Oberfläche und eine erhöhte Porosität maximieren die Rückgewinnungsraten wertvoller Metalle und machen den Recyclingprozess wirtschaftlich tragfähig und umweltfreundlich.

Weiterreichende Auswirkungen auf die Batterieindustrie

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen und Technologien für erneuerbare Energien steigt die Nachfrage nach Batterien und damit auch nach den darin enthaltenen Metallen rasant. Urban Mining mit ultraschallgestütztem Recycling bietet eine Möglichkeit, diese Metalle nachhaltig zurückzugewinnen, die mit dem Bergbau verbundenen Umweltbelastungen zu verringern und die Batterieproduktion und -entsorgung in einen geschlossenen Kreislauf einzubinden.
Die Skalierung ultraschallbasierter Recyclingverfahren, die Optimierung von Lösungsmittelkombinationen und die Verfeinerung des Einsatzes von Ultraschallwellen werden die Effizienz weiter steigern. Hielscher Ultrasonics empfiehlt Ihnen gerne die ideale Inline-Konfiguration der Ultraschallgeräte für Ihren Laugungsprozess. Kontaktieren Sie uns jetzt!

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Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: