Lithium ist ein knappes und sehr wertvolles Material, das in Hochleistungsbatterien, wie z.B. Li-Ionen-Batterien, enthalten ist. Lithium ist daher auch das wertvollste Material, das beim Recycling von Lithium-Ionen-Batterien zurückgewonnen wird, aber auch andere Mineralien und Metalle wie Kobalt und Mangan, Nickel, Kupfer und Aluminium sind werthaltige Metalle für die Rückgewinnung. Hochintensiver Ultraschall wird als Misch- und Auslaugtechnik mit hoher Scherwirkung eingesetzt, um wertvolle Mineralien und Metalle aus Altbatterien zu extrahieren, herauszulösen und abzutrennen. Die Ultraschallmethode ist hochwirksam, energieeffizient und für den Einbau in vollkommerzielle Recyclinganlagen verfügbar.

Überblick: Das Li-Ionen-Batterie-Recyclingverfahren

Die Recyclingverfahren können variieren, da Unternehmen, die sich auf das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien spezialisiert haben, ihre Prozesse individuell auf höchste Effizienz entwickeln und modifizieren. Um jedoch wertvolle Materialien wie Lithium aus den Batterien zurückzugewinnen, sind grundsätzlich folgende Schritte erforderlich:
Zuerst wird die Plastikabdeckung der Batterie aufgebrochen und entfernt. Anschliessend wird die nackte Batterie in flüssigen Stickstoff gelegt, um reaktive, explosive Substanzen zu neutralisieren. Dieser Schritt stellt sicher, dass eine plötzliche Freisetzung der gesamten gespeicherten Energie und die damit verbundene anschließende Zündung und Explosion verhindert werden.
Nach diesen vorbereitenden Schritten wird die Batterie dann auf eine Werkbank gelegt, wo die Batterie mit einer Säge geöffnet wird, so dass die Außenhülle entfernt werden kann. Die Kathode, Anode und der Separator werden bis auf den Kern der Batterie abgezogen und in einen Ofen gelegt, wo sie 24 Stunden lang bei ca. 60-120°C getrocknet werden. Vor der Metallextraktionsbehandlung müssen die isolierten Elektroden, d.h. Kathode und Anode, weiter zerlegt werden. Da das Kathodenmaterial in der Regel durch ein Bindemittel, meist Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), auf Aluminiumfolie geklebt wird, ist es schwierig, Kathode und Aluminiumfolie voneinander zu entfernen. Um das Kathodenmaterial richtig von der Folie zu trennen, hat sich die ultraschall-gestützte Abtrennung als eine hocheffizientes, schnelles und wirtschaftliches Verfahren erwiesen. Die Intensivierung des Batterierecyclingprozesses mittels Ultraschall hört hier allerdings noch nicht auf. Das Auslaugen von Metallen und Mineralien wie Kobalt, Mangan, Nickel, Kupfer und Aluminium mittels Ultraschall intensiviert auch die Extraktion der Metalle und erhöht dadurch die Ausbeute an zurückgewonnenen Metallen.

Ultraschallkavitation für die Kathodentrennung

Ultraschall trennt das Kathodenmaterial von der Aluminiumfolie mittels der Effekte, welche durch die akustischen Kavitation (auch Ultraschallkavitation) erzeugt werden. Die kkustische bzw. Ultraschall-Kavitation ist durch lokal auftretende hohe Drücke, hohe Temperaturen und deren anschließenden rapiden Abfall, welche zu entsprechenden Druck- und Temperaturdifferenzen führen, sowie durch intensive Mikroturbulenzen und hochscherende Mikrostrahlen gekennzeichnet. Diese Kavitationskräfte wirken auf Oberflächengrenzen, fördern den Stoffaustausch und verursachen Erosion. Durch die Erzeugung solch intensiver Kräfte chemischer, physikalischer, thermischer und mechanischer Natur erzeugt die Ultraschallkavitation die erforderliche Bewegung und den Massentransfer in Flüssigkeiten, um die organische Binderstruktur aufzubrechen, welche in Lithium-Ionen-Batterien zur Fixierung der Kathode am Kollektor / an der Aluminiumfolie verwendet wird.
Während mechanische Bewegung (wie z.B. durch Rühren) allein nicht ausreicht, um das Kathodenmaterial effektiv von der Aluminiumfolie zu lösen, liefert hochintensiver Ultraschall die erforderliche sonochemische und sonomechanische Energie, um das Kathodenmaterial vollständig von den Kollektoren zu entfernen. Im Gegensatz zum mechanischen Rühren erzeugt die Ultraschallkavitation intensive Turbulenzen, lokal hohe Temperaturen und Drücke sowie Strömungen und Flüssigkeitsstrahlen, welche das Bindemittel (z.B. PVDF oder PTFE), das die Kathode mit der Al-Folie verbindet, aufbrechen und die Oberfläche von Kathode und Al-Folie erodieren. Dadurch wird das Bindemittel zwischen beiden Materialien zerstört und Kathode und Al-Folie werden effektiv getrennt.
Zum Beispiel führt die ultraschall-gestützte Separation zu einer hohen Effizienz der Kathodenabtrennung von 99% unter Verwendung von N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) als Lösungsmittel bei 70°C (240 W Ultraschallleistung und 90 min Beschallungszeit). Da die Ultraschall-Kathodentrennung das Material gleichmäßig dispergiert und die Bildung größere Agglomerate verhindert, wird auch der nachfolgende Metall-Auslaugungsprozess erleichtert.
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Ultraschall-gestützte Auslaugung von Mineralien

Die oben beschriebenen Ultraschall-Kavitationseffekte fördern auch die Auslaugung von Metallen aus Altbatterien. Hochintensive Ultraschallbehandlung wird nicht nur zur Rückgewinnung von Mineralien beim Batterierecycling eingesetzt, sondern wird auch häufig in der Hydrometallurgie und bei der Auslaugung von wertvollen Erzen (z. B. Bergbau-Tailings) verwendet. Die hohen lokalen Temperaturen, Drücke und Scherkräfte intensivieren die Metallauslaugung und erhöhen die Auslaugungseffizienz erheblich. Während in den Kavitations-Hotspots lokal sehr extreme Temperaturen von bis zu 1000 K auftreten, sind für die Gesamtauslaugung nur milde Temperaturen von ca. 50-60°C erforderlich. Dies macht die Ultraschall-Metallrückgewinnung energieeffizient und wirtschaftlich.
Die Ultraschallauslaugung von Mineralien aus verbrauchten Li-Ionen-Batterien zeichnet sich durch hohe Rückgewinnungsraten und Effizienz aus. Zum Beispiel wurde Schwefelsäure (H2SO4) erfolgreich als Auslaugungsmittel in Gegenwart von Wasserstoffperoxid (H2O2) während der Ultraschall-Mineralienrückgewinnung von der Kathode verwendet. Die Ultraschallauslaugung mit Schwefelsäure führte zu Rückgewinnungsraten von 94,63% für Kobalt bzw. 98,62% für Lithium.
Die Ultraschall-Laugung mit organischer Zitronensäure (C6H8O7-H2O) führt zu sehr hohen Rückgewinnungsraten von Kupfer und Lithium, wobei 96% Kupfer und fast 100% Lithium aus den verbrauchten Li-Ionen-Batterien gewonnen werden.

Einfach und sicher: Ultraschall von Machbarkeitstests zum industriellen Recycling hochskalieren

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien sind für Benchtop-, Pilot- und Industrieinstallationen jederzeit erhältlich. Da es sich bei der Ultraschall-Kathodenseparation und der Ultraschall-Auslaugung von Mineralien aus Altbatterien bereits um etablierte Prozesse handelt, sind die Schritte von den ersten Versuchen, der Optimierung auf Ihre spezifischen Prozessanforderungen sowie der Installation eines vollindustriellen Ultraschall-Separations- und/oder Auslaugungssystems schnell und einfach umzusetzen.

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für das Batterie-Recycling

Hielscher Ultrasonics liefert Hochleistungs-Ultraschallgeräte in jeder Größe und Kapazität. Mit dem UIP16000 (16kW) stellt Hielscher den weltweit leistungsstärksten Ultraschallprozessor her. Sowohl der UIP16000 als auch alle anderen industriellen Ultraschallsysteme können problemlos zu Clustern mit der erforderlichen Verarbeitungskapazität zusammengestellt werden. Alle Hielscher Ultraschallgeräte sind für den 24/7/365-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen gebaut.
Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7/365-Betrieb kontinuierlich betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich.

Ultraschallsonotroden und Sono-Reaktoren für jedes Volumen

Die Produktpalette von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum an Ultraschallprozessoren ab: von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Tisch- und Pilotsysteme bis hin zu vollindustriellen Ultraschallprozessoren mit der Kapazität zur Bearbeitung von LKW-Ladungen pro Stunde. Die vollständige Produktpalette ermöglicht es uns, Ihnen die für Ihre Anwendung, Prozesskapazität und Produktionsziele das am besten geeignete Ultraschallgerät anzubieten.

Präzise kontrollierbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Hielscher Ultraschallprozessoren sind präzise steuerbare und damit zuverlässige Werkzeuge in R&D und Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, welche Effizienz und Effektivität von sonochemisch und sonomechanisch induzierten Reaktionen beeinflussen. Alle Hielscher Ultrasonics‘ Prozessoren ermöglichen die präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Booster-Hörner sind Zubehörteile, welche es erlauben, die Amplitude in einem noch größeren Spektrum zu verändern. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und liefern die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle Anwendungen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschallprozessparameter über eine intelligente Software geben Ihnen die Möglichkeit, die Kathode von der Aluminiumfolie zu trennen sowie Mineralien und Metalle aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien unter den effektivsten Ultraschallbedingungen auszuwaschen. Optimale Beschallung für effizientestes Recycling von Lithium-Ionen-Batterien!
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen. Dies macht die Ultraschallgeräte von Hielscher zu einem zuverlässigen Arbeitsgerät, welches die Anforderungen Ihres Recyclingprozesses jederzeit erfüllt.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Unternehmen setzt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin konstruiert, gefertigt und gründlich getestet. Die Robustheit und Zuverlässigkeit der Ultraschallgeräte von Hielscher machen sie zu einem Arbeitstier in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist ein selbstverständliches Qualitätsmerkmal der Hochleistungs-Ultraschallprozessoren und -reaktoren aus dem Hause Hielscher Ultrasonics.

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