Ultraschall macht das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien effizienter

Lithium ist ein knapper und äußerst wertvoller Rohstoff, der in Hochleistungsbatterien wie Li-Ionen-Batterien enthalten ist. Lithium ist der wertvollste Rohstoff, der beim Recycling von Li-Ionen-Batterien zurückgewonnen wird. Doch auch andere Mineralien und Metalle wie Kobalt, Mangan, Nickel, Kupfer und Aluminium sind wertvolle Stoffe für die Rückgewinnung. Hochintensive Ultraschallbehandlung wird als Mischverfahren mit hohen Scherkräften und als Laugungsverfahren eingesetzt, um wertvolle Mineralien und Metalle aus Altbatterien zu extrahieren, abzulösen und zu lösen. Das Beschallungsverfahren ist hochwirksam, energieeffizient und für die Installation in kommerziellen Recyclinganlagen im industriellen Maßstab ohne Weiteres verfügbar.

Überblick: Recyclingprozess für Li-Ionen-Batterien

Der Recyclingprozess zur Rückgewinnung von Edelmetallen und Materialien aus gebrauchten Li-Ionen-Batterien umfasst in der Regel mehrere Schritte. Hier ein allgemeiner Überblick:

1. Sammlung und Sortierung: Gebrauchte Li-Ionen-Batterien werden gesammelt und nach Typ und chemischer Zusammensetzung sortiert.
2. Demontage: Zunächst wird die Kunststoffabdeckung der Batterie aufgebrochen und entfernt. Anschließend wird die freigelegte Batterie in flüssigen Stickstoff gegeben, um reaktive, explosive Stoffe zu neutralisieren. Dieser Schritt stellt sicher, dass eine plötzliche Freisetzung der gesamten gespeicherten Energie sowie die damit verbundene anschließende Entzündung und Explosion verhindert werden. Danach werden die Batterien zerlegt, um die verschiedenen Komponenten wie Kathode, Anode, Elektrolyt und Gehäuse voneinander zu trennen.
3. Zerkleinerung: Die zerlegten Batterien werden in kleinere Stücke zerkleinert, um die Oberfläche für die nachfolgenden Prozesse zu vergrößern.
4. Elektrodendelamination: Vor der Metallextraktion müssen die separierten Elektroden, also Kathode und Anode, weiter zerlegt werden. Da das Kathodenmaterial in der Regel durch ein Bindemittel, meist Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), an Aluminiumfolie haftet, ist es schwierig, Kathode und Aluminiumfolie voneinander zu trennen.
5. Chemische Behandlung: Die zerkleinerten Batteriekomponenten werden verschiedenen chemischen Behandlungen unterzogen, um die unterschiedlichen Materialien zu lösen und voneinander zu trennen. Dazu kann eine Laugung mit Säure oder anderen Lösungsmitteln gehören, um wertvolle Metalle wie Lithium, Kobalt, Nickel und Kupfer zu extrahieren.
6. Rückgewinnung und Reinigung: Die gelösten Metalle werden anschließend durch Verfahren wie Fällung, Lösungsmittelextraktion oder elektrochemische Methoden aus der Lösung zurückgewonnen. Diese Schritte tragen zur Reinigung und Anreicherung der Edelmetalle bei.

Verbesserte Edelmetallrückgewinnung durch Beschallung

Leistungsultraschall kann die Elektrodendelamination und die Laugung von Edelmetallen und Materialien verbessern, indem er die Reaktionen intensiviert und dadurch den Rückgewinnungsprozess deutlich effizienter macht. Die Ultraschallbehandlung ist ein Verfahren, das hochintensive Ultraschallwellen nutzt, um mechanische Schwingungen und akustische Kavitation in einem flüssigen Medium zu erzeugen. Die starken Kräfte der Ultraschallbehandlung werden auf verschiedene Weise genutzt, um den Recyclingprozess zur Rückgewinnung von Edelmetallen aus gebrauchten Li-Ionen-Batterien zu verbessern:

1. Desintegration: Die Ultraschallbehandlung zerkleinert die geschredderten Batteriematerialien weiter, sodass kleinere Partikel entstehen. Kleinere Partikel bieten eine größere Oberfläche, wodurch die chemische Laugung wirksamer wird und die Freisetzung wertvoller Metalle unterstützt wird.
2. Verbesserte Laugung: Der Einsatz von Ultraschall während der Laugung kann den Kontakt zwischen dem Feststoff und der Laugungslösung verbessern und dadurch die Effizienz der Metallextraktion steigern. Die Ultraschalllaugung fördert die Metallextraktion und erhöht die Rückgewinnungsausbeute von Metallen und Mineralien wie Kobalt, Mangan, Nickel, Kupfer und Aluminium.
3. Verbesserte Elektrodendelamination: Ziel der Elektrodendelamination beim Batterierecycling ist es, die verschiedenen Komponenten wie Elektroden, Elektrolyte und Separatoren voneinander zu trennen, damit sie einzeln weiterverarbeitet oder recycelt werden können. Die Ultraschallbehandlung unterstützt das Ablösen und Entfernen von Beschichtungen von der Elektrode. Sonomechanische Kräfte fördern die effiziente Trennung der Elektrodenschichten.
4. Beschleunigte Reaktionen: Die Ultraschallbehandlung fördert eine schnellere und gründlichere Durchmischung, wodurch chemische Reaktionen bei der Metallrückgewinnung und -reinigung beschleunigt werden können.
5. Geringerer Energieverbrauch: Die Ultraschallbehandlung kann die Prozesseffizienz steigern und dadurch den Zeit- und Energieaufwand für die Metallrückgewinnung aus Altbatterien reduzieren.

Die Ultraschallbehandlung kann den Recyclingprozess zur Rückgewinnung von Edelmetallen und Materialien aus gebrauchten Li-Ionen-Batterien verbessern, indem sie die Wirksamkeit und Effizienz verschiedener Prozessschritte erhöht.
Die Verfahrensschritte der ultraschallgestützten Metalllaugung und Elektrodendelamination lassen sich an individuelle Recyclingprozesse anpassen. Diese können unterschiedlich ausfallen, da auf das Recycling von Li-Ionen-Batterien spezialisierte Unternehmen ihre Verfahren entwickeln und anpassen, um höchste Effizienz zu erreichen.

Ultraschallkavitation zur Kathodenablösung

Die Ultraschallbehandlung trennt Kathodenmaterialien durch die Wirkung akustischer Kavitation von der Aluminiumfolie. Akustische Kavitation oder Ultraschallkavitation ist durch lokal auftretende hohe Drücke und Temperaturen sowie deren anschließenden Abfall gekennzeichnet. Dabei entstehen entsprechende Druck- und Temperaturdifferenzen sowie intensive Mikroturbulenzen und Mikrostrahlen mit hohen Scherkräften. Diese Kavitationskräfte wirken auf Grenzflächen, fördern den Stofftransport und verursachen Erosion. Durch die Erzeugung solcher intensiven Kräfte chemischer, physikalischer, thermischer und mechanischer Natur bewirkt die Ultraschallkavitation die erforderliche Durchmischung und den Stofftransport, um die Struktur des organischen Bindemittels aufzubrechen, das in Lithium-Ionen-Batterien zur Befestigung der Kathode am Stromableiter bzw. an der Aluminiumfolie verwendet wird.
Während mechanisches Mischen, etwa durch Rühren allein, nicht ausreicht, um das Kathodenmaterial wirksam von der Aluminiumfolie abzulösen, liefert hochintensive Ultraschallbehandlung die erforderliche sonochemische und sonomechanische Energie, um das Kathodenmaterial vollständig von den Stromableitern zu entfernen. Im Gegensatz zum mechanischen Rühren erzeugt Ultraschallkavitation intensive Turbulenzen, lokal hohe Temperaturen und Drücke sowie Durchmischung, Strömungen und Flüssigkeitsstrahlen. Diese brechen das Bindemittel, z. B. PVDF oder PTFE, auf, das die Kathode mit der Al-Folie verbindet, und erodieren die Oberflächen sowohl der Kathode als auch der Al-Folie. Dadurch wird das Bindemittel zwischen beiden Materialien wirksam zerstört, und Kathode und Aluminiumfolie werden effizient voneinander getrennt.
Beispielsweise erreicht die Ultraschalltrennung eine hohe Effizienz bei der Kathodenablösung von 99%, wenn N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) als Lösungsmittel bei 70°C eingesetzt wird (240 W Ultraschallleistung und 90 min Ultraschallbehandlungszeit). Da die ultraschallgestützte Kathodenablösung das Material gleichmäßig dispergiert und größere Agglomerate verhindert, wird die anschließende Metalllaugung erleichtert.
Erfahren Sie mehr über die ultraschallgestützte Elektrodendelamination zur Rückgewinnung von Aktivmaterialien und Stromableiterfolien!

Ultraschalllaugung von Mineralien

Die oben beschriebenen Effekte der Ultraschallkavitation fördern auch die Laugung von Metallen aus Altbatterien. Hochintensive Ultraschallbehandlung wird nicht nur zur Rückgewinnung von Mineralien beim Batterierecycling eingesetzt, sondern auch häufig in der Hydrometallurgie und bei der Laugung wertvoller Erze (z. B. Bergbaurückstände). Die lokal hohen Temperaturen, Drücke und Scherkräfte intensivieren die Metalllaugung und steigern die Laugungseffizienz erheblich. Während in den Kavitations-Hotspots lokal extrem hohe Temperaturen von bis zu 1000 K auftreten, erfordert der Laugungsprozess insgesamt nur moderate Temperaturen von etwa 50–60°C. Dadurch ist die ultraschallgestützte Metallrückgewinnung energieeffizient und wirtschaftlich.
Die Ultraschalllaugung von Mineralien aus gebrauchten Li-Ionen-Batterien zeichnet sich durch hohe Rückgewinnungsraten und Effizienz aus. So wurde beispielsweise Schwefelsäure (H2SO4) in Gegenwart von Wasserstoffperoxid (H2O2) erfolgreich als Laugungsmittel bei der ultraschallgestützten Rückgewinnung von Mineralien aus der Kathode eingesetzt. Die Ultraschalllaugung mit Schwefelsäure erzielte Rückgewinnungsraten von 94,63% für Kobalt und 98,62% für Lithium.
Die Ultraschalllaugung mit organischer Zitronensäure (C6H8O7·H2O) führt zu sehr hohen Rückgewinnungsraten für Kupfer und Lithium. Dabei werden 96% des Kupfers und nahezu 100% des Lithiums aus den gebrauchten Li-Ionen-Batterien zurückgewonnen.

Einfach und sicher: Maßstabsvergrößerung von Ultraschallprozessen vom Machbarkeitstest bis zum industriellen Recycling

Leistungsstarke Ultraschallgeräte für das Recycling von Li-Ionen-Batterien sind als Tischgeräte sowie für Pilotanlagen und industrielle Anlagen ohne Weiteres verfügbar. Da die ultraschallgestützte Kathodenablösung und die Ultraschalllaugung von Mineralien aus Altbatterien bereits etablierte Verfahren sind, lässt sich der Weg von den ersten Versuchen über die Optimierung für Ihre spezifischen Prozessanforderungen bis zur Installation einer industriellen Ultraschallanlage zur Trennung und/oder Laugung schnell und einfach umsetzen.
Erfahren Sie mehr über die Vorteile der Ultraschalllaugung für nachhaltiges Batterierecycling und Urban Mining!

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für das Batterierecycling

Hielscher Ultrasonics liefert Hochleistungs-Ultraschallgeräte in jeder Größe und Kapazität. Mit dem UIP16000 (16 kW) stellt Hielscher den weltweit leistungsstärksten Ultraschallprozessor her. Der UIP16000 lässt sich ebenso wie alle anderen industriellen Ultraschallsysteme einfach zu Clustern zusammenschalten, um die erforderliche Verarbeitungskapazität zu erreichen. Alle Ultraschallgeräte von Hielscher sind für den 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ausgelegt.
Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden erzeugen. Amplituden von bis zu 200 µm lassen sich problemlos dauerhaft im 24/7-Betrieb aufrechterhalten. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich.

Sonotroden und Ultraschallreaktoren für jedes Volumen

Das Produktsortiment von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum an Ultraschallprozessoren ab: von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Tischgeräte und Pilotsysteme bis hin zu industriellen Ultraschallprozessoren, die Lkw-Ladungen pro Stunde verarbeiten können. Dieses umfassende Sortiment ermöglicht es uns, Ihnen die am besten geeignete Ultraschallausrüstung für Ihre Anwendung, Ihre Prozesskapazität und Ihre Produktionsziele anzubieten.

Präzise steuerbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Ultraschallprozessoren von Hielscher sind präzise steuerbar und damit zuverlässige Arbeitsgeräte in Forschung, Entwicklung und Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, die die Effizienz und Wirksamkeit sonochemisch und sonomechanisch induzierter Reaktionen beeinflussen. Alle Prozessoren von Hielscher Ultrasonics ermöglichen eine präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Boosterhörner sind Zubehörteile, mit denen sich die Amplitude über einen noch größeren Bereich verändern lässt. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle Anwendungen bereitstellen. Amplituden von bis zu 200 µm lassen sich problemlos dauerhaft im 24/7-Betrieb aufrechterhalten.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die kontinuierliche Überwachung der Ultraschallprozessparameter durch intelligente Software ermöglichen es Ihnen, die Kathode von der Aluminiumfolie zu trennen sowie Mineralien und Metalle aus gebrauchten Li-Ionen-Batterien unter den wirksamsten Ultraschallbedingungen auszulaugen. Optimale Beschallung für höchste Effizienz beim Recycling von Li-Ionen-Batterien!
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb bei hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen. Damit sind die Ultraschallgeräte von Hielscher zuverlässige Arbeitsgeräte, die die Anforderungen Ihres Recyclingprozesses erfüllen.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als Unternehmen in Familienbesitz und unter Familienführung legt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren größten Wert auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden an unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin, Deutschland, entwickelt, hergestellt und gründlich geprüft. Die Robustheit und Zuverlässigkeit der Ultraschallausrüstung von Hielscher machen sie zu einem leistungsfähigen Arbeitsmittel in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist eine selbstverständliche Eigenschaft der Hochleistungs-Sonotroden und -Reaktoren von Hielscher.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Wissenswertes

Was sind Lithium-Ionen-Batterien?

Eine Lithium-Ionen-Batterie, auch Li-Ionen-Batterie genannt, ist eine wiederaufladbare Batterie. Im Vergleich zu blei- und nickelbasierten Batterien verwenden Lithium-Ionen-Batterien eine Kathode, eine Anode und einen Elektrolyten als Leiter.
Wie alle Batterien speichern Li-Ionen-Batterien chemische Energie, die anschließend in elektrische Energie umgewandelt wird, um eine statische elektrische Ladung zur Energieversorgung bereitzustellen.
Lithium-Ionen-Batterien werden häufig in tragbaren elektronischen Geräten wie Laptops und Smartphones sowie in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Auch beim Militär und bei Luft- und Raumfahrtunternehmen wächst das Interesse am Einsatz von Li-Ionen-Batterien.