Ultraschalllaugung verändert das Batterierecycling und den städtischen Bergbau

Altbatterien und Elektronikschrott enthalten wertvolle Materialien wie Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt, die für die wachsende Nachfrage in den Bereichen erneuerbare Energien und Elektrofahrzeuge unerlässlich sind. Urban Mining - das Verfahren zur Rückgewinnung dieser Metalle aus Altbatterien und anderem Elektronikschrott - ist ein vielversprechender Weg zu einer Kreislaufwirtschaft, der den Bedarf an neuem Bergbau verringert und Abfälle minimiert. Eine Schlüsseltechnik in diesem Bereich ist die Beschallung, die sich als äußerst vorteilhaft erwiesen hat, um die Metallrückgewinnungsraten zu erhöhen, die Verarbeitungszeiten zu verkürzen und die Nachhaltigkeit zu verbessern.

Die Kraft der Sonikation beim Batterierecycling und Urban Mining: Ein Paradigmenwechsel für nachhaltige Ressourcenrückgewinnung

Eine aktuelle Studie von Canciani et al. (2024) untersucht die Auswirkungen der Ultraschallkavitation - winzige Stoßwellen, die durch hochintensive Ultraschallwellen erzeugt werden - auf den Auslaugungsprozess beim Batterierecycling. Ihre Forschung zeigt, dass die Beschallung nicht nur eine bescheidene Verbesserung des herkömmlichen Recyclings darstellt, sondern die Art und Weise, wie der Recyclingprozess mit dem Batteriematerial interagiert, grundlegend verändert, wodurch er schneller und effizienter wird und weniger auf scharfe Chemikalien angewiesen ist.
Lesen Sie unten mehr über die Ergebnisse der Studie!

Die ultraschallunterstützte Säureauslaugung funktioniert zwölfmal schneller als die herkömmliche Säureauslaugung, was auf die vorteilhafte mechanische Wirkung von Kavitationsblasen zurückzuführen ist, die nahe der Oberfläche platzen. Dieses Phänomen verbessert die Durchmischung der Säurelösung und damit auch die Transporteigenschaften.
Bild und Studie: © Canciani et al., 2024

Wie die Sonikation beim Batterierecycling funktioniert

Beim typischen Batterierecycling wird das Kathodenmaterial (das wertvolle Metalle enthält) in einer sauren Lösung aufgelöst, ein Prozess, der „Auslaugen.“ Dieser Ansatz ermöglicht die Trennung und Rückgewinnung von Metallen aus der festen Struktur der Batterie. Die herkömmliche Auslaugung ist jedoch zeitaufwändig, da es oft Stunden dauert, bis eine signifikante Metallrückgewinnung erreicht wird. Außerdem werden starke Säuren und hohe Temperaturen benötigt, was zu Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen führt.
Die Sonikation verändert diesen Prozess, indem Ultraschallwellen direkt in die Auslaugungslösung eingebracht werden. In der 2024 veröffentlichten Studie von Canciani et al. testeten die Forscher diese Technik mit einem Batterieersatzmaterial, Lithium-Kobalt-Nickel-Mangan-Oxid (NMC). Durch die Anwendung von Ultraschallwellen mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude konnten sie feststellen, dass die Ultraschallkavitation die Auslaugzeit um über 80 % verkürzt. Der Prozess dauerte nicht mehr Stunden, sondern nur noch wenige Minuten, was eine revolutionäre Verbesserung der Effizienz darstellt.

Die Rolle der Sonikation bei der verbesserten Auslaugung: Die Wissenschaft hinter Massentransfer und Geschwindigkeit

Die Beschallung beschleunigt nicht nur die Auslaugung, sondern verändert auch die Art und Weise, wie die saure Lösung mit den Batteriepartikeln interagiert. Hochleistungs-Ultraschall erzeugt Millionen von mikroskopisch kleinen Blasen, die in der Lösung schnell zusammenfallen, ein Phänomen, das als Kavitation bekannt ist. Dieser Vorgang erzeugt starke lokale Kräfte, die Oberflächenpartikel aufbrechen und die Wechselwirkung zwischen der Säure und den Metallen im Batteriematerial verstärken.
Nach Canciani et al. (2024) hat dieser Prozess zwei wesentliche Auswirkungen auf die Batteriematerialien: Er erhöht die Porosität der Partikel und verringert ihre Größe, was zu einer drastischen Vergrößerung der Oberfläche führt. Mit einer größeren Oberfläche kann die Säure intensiver mit dem Material interagieren, was eine schnellere Auslaugung ermöglicht. Die Autoren stellten fest, dass sich das Porenvolumen in beschallten Proben im Vergleich zu konventionell verarbeiteten Proben um eine Größenordnung vergrößerte, wodurch mehr Wege für die Säure geschaffen wurden, um den Metallgehalt aufzulösen.

REM-Bilder von Partikeln zu verschiedenen Zeitpunkten der konventionellen (a-c) und der Ultraschalllaugung (d-f).
Bild und Studie: © Canciani et al., 2024

Ultraschall-Laugung: Verbesserte Transporteigenschaften und Mikrovermischung

Die Studie deutet auch darauf hin, dass die Ultraschallkavitation nicht nur den Oberflächenkontakt, sondern auch die Transporteigenschaften deutlich verbessert. Im Wesentlichen bedeutet dies, dass die Verteilung der Säure über die Batterieteilchen gleichmäßiger wird, wobei die kavitationsbedingte Mikrovermischung eine gleichmäßige Exposition gewährleistet. Dies führt zu einer homogenisierten Reaktionsumgebung, die es der Säure ermöglicht, Metalle effektiver und gleichmäßiger aufzulösen.
Eine weitere bemerkenswerte Erkenntnis ist, dass die Vorteile der Ultraschallkavitation über die Verringerung der Partikelgröße hinausgehen. Die Forscher fanden heraus, dass die Kavitation den Wechselwirkungsmechanismus zwischen der Säure und den Partikeln verändert, was wahrscheinlich auf einen verbesserten Transport in der Grenzschicht zurückzuführen ist. Einfach ausgedrückt: Die Kavitation verringert die Dicke der Flüssigkeitsschicht, die die einzelnen Partikel umgibt, und ermöglicht so eine schnellere Auflösung des Metalls.

Partikelgrößenverteilungen nach Ultraschall- und konventioneller Laugung
Bild und Studie: © Canciani et al., 2024

Vorteile für Urban Mining und Nachhaltigkeit

Die Wirksamkeit der Beschallung beim Batterierecycling birgt ein enormes Potenzial für die Zukunft des Urban Mining und der nachhaltigen Ressourcenrückgewinnung. Die Ergebnisse von Canciani et al. (2024) deuten darauf hin, dass die Beschallung die Abhängigkeit von umweltschädlichen Praktiken ersetzen oder verringern wird:

• Reduzierung des Chemikalieneinsatzes: Die ultraschallunterstützte Auslaugung ermöglicht die Verwendung umweltfreundlicherer Lösungsmittel wie Essigsäure anstelle von härteren Säuren, die für die herkömmliche Auslaugung benötigt werden.
• Senkung des Energiebedarfs: Bei der Beschallung erfolgt die Auslaugung schnell bei Raumtemperatur und muss nicht lange erhitzt werden, was den Energieverbrauch und die Emissionen reduziert.
• Steigerung der Materialrückgewinnung: Verbesserte Oberflächeninteraktion und erhöhte Porosität maximieren die Rückgewinnungsraten wertvoller Metalle und machen das Recyclingverfahren wirtschaftlich und umweltfreundlich.

Breitere 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 an. Urban Mining mit sonikationsgestütztem Recycling bietet eine Möglichkeit, diese Metalle nachhaltig zurückzugewinnen, die Umweltbelastung durch den Bergbau zu verringern und einen geschlossenen Kreislauf für die Batterieproduktion und -entsorgung zu schaffen.
Die Skalierung von Recyclingverfahren auf der Grundlage von Beschallung, die Optimierung von Lösungsmittelkombinationen und die Verfeinerung der Anwendung von Ultraschallwellen werden die Effizienz weiter steigern. Hielscher Ultrasonics empfiehlt Ihnen gerne die ideale Inline-Sonicator-Konfiguration für Ihren Laugungsprozess. Kontaktieren Sie uns jetzt!

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In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: