Effizienteres Li-ion Batterie-Recycling mittels Ultraschall

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: Li-Ion-Batterie-Recyclingprozess

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

1. Sammlung und Sortierung: Ausgediente Li-Ionen-Batterien werden gesammelt und nach Typ und chemischer Zusammensetzung sortiert.
2. Demontage: Zunächst wird die Kunststoffabdeckung der Batterie aufgebrochen und entfernt, danach wird die nackte Batterie in flüssigen Stickstoff gelegt, um reaktive, explosive Stoffe zu neutralisieren. Dieser Schritt stellt sicher, dass eine plötzliche Freisetzung der gesamten gespeicherten Energie und die damit verbundene Entzündung und Explosion verhindert wird. Dann werden die Batterien zerlegt, um die verschiedenen Komponenten wie Kathode, Anode, Elektrolyt und Gehäuse zu trennen.
3. Schreddern: Die zerlegten Batterien werden in kleinere Stücke zerkleinert, um die Oberfläche für nachfolgende Prozesse zu vergrößern.
4. Delamination der Elektroden: Vor der Behandlung zur Metallextraktion müssen die isolierten Elektroden, d. h. Kathode und Anode, weiter demontiert werden. Da das Kathodenmaterial in der Regel durch ein Bindemittel, in der Regel Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), an der Aluminiumfolie haftet, ist es schwierig, Kathode und Aluminiumfolie voneinander zu lösen.
5. Chemische Behandlung: Die geschredderten Batteriekomponenten werden verschiedenen chemischen Behandlungen unterzogen, um die verschiedenen Materialien aufzulösen und zu trennen. Dazu kann das Auslaugen 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 dann durch Verfahren wie Fällung, Lösungsmittelextraktion oder elektrochemische Methoden aus der Lösung zurückgewonnen. Diese Schritte tragen zur Reinigung und Konzentration der Edelmetalle bei.

Verbesserte Edelmetallgewinnung durch Sonikation

Leistungsstarker Ultraschall kann die Schritte der Elektrodenablösung und der Auslaugung von Edelmetallen und -materialien verbessern, indem er die Reaktionen intensiviert und damit den Rückgewinnungsprozess wesentlich effizienter macht. Bei der Ultraschallbehandlung werden hochintensive Ultraschallwellen eingesetzt, um mechanische Vibrationen und akustische Kavitation in einem flüssigen Medium zu erzeugen. Die starken Kräfte der Ultraschallbehandlung werden genutzt, um den Recyclingprozess von Edelmetallen aus verbrauchten Li-Ionen-Batterien auf verschiedene Weise zu verbessern:
 

1. Desintegration: Durch die Ultraschallbehandlung werden die geschredderten Batteriematerialien zerkleinert, so dass kleinere Partikel entstehen. Kleinere Partikel bieten eine größere Oberfläche, was die chemische Auslaugung effektiver macht und die Freisetzung der wertvollen Metalle unterstützt.
2. Verbesserte Auslaugung: Die Anwendung von Ultraschall bei Auslaugungsprozessen kann den Kontakt zwischen dem festen Material und der Auslaugungslösung verbessern und so die Effizienz der Metallextraktion erhöhen. Die Ultraschalllaugung fördert die Metallextraktion und erhöht die Ausbeute an gewonnenen Metallen und Mineralien wie Kobalt, Mangan, Nickel, Kupfer und Aluminium.
3. Verbesserte Elektroden-Delamination: Ziel der Elektrodenablösung beim Batterierecycling ist es, die verschiedenen Komponenten wie Elektroden, Elektrolyte und Separatoren zu trennen, damit sie einzeln weiterverarbeitet oder recycelt werden können. Die Ultraschallbehandlung unterstützt die Ablösung und Entfernung der Beschichtungen von der Elektrode. Sonomechanische Kräfte fördern die effiziente Trennung der Schichten der Elektroden.
4. Beschleunigte Reaktionen: Die Ultraschallbehandlung fördert eine schnellere und gründlichere Durchmischung, was die chemischen Reaktionen bei der Metallrückgewinnung und den Reinigungsschritten beschleunigen kann.
5. Geringerer Energieverbrauch: Die Ultraschallbehandlung kann die Effizienz des Prozesses verbessern und den Zeit- und Energieaufwand für die Metallrückgewinnung aus Altbatterien verringern.

 
Die Ultraschallbehandlung kann bei der Verbesserung des Recyclingprozesses von Edelmetallen und Materialien aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien eine nützliche Rolle spielen, indem sie die Effektivität und Effizienz der verschiedenen am Recyclingprozess beteiligten Schritte erhöht.
Die Prozessschritte der Ultraschall-Metalllaugung und der Elektroden-Delaminierung können an die individuellen Recyclingprozesse angepasst werden, die variieren können, da Unternehmen, die sich auf das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien spezialisiert haben, ihre Prozesse für höchste Effizienz entwickeln und modifizieren.

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.
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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, die es ermöglichen, die Amplitude in einem noch größeren Bereich zu modifizieren. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden liefern und die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle Anwendungen liefern. Amplituden von bis zu 200μm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich gefahren 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 Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen. Das macht Hielscher Ultraschallgeräte zu einem zuverlässigen Arbeitsmittel, das die Anforderungen Ihres Recyclingprozesses erfüllt.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Familienunternehmen legt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren großen Wert auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin entwickelt, hergestellt 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 Merkmal der Hochleistungs-Ultraschallsonden und -reaktoren von Hielscher.

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

Wissenswertes

Was sind Lithium-Ionen-Batterien?

Eine Lithium-Ionen-Batterie, auch Li-Ionen-Batterie genannt, ist eine Art wiederaufladbare Batterie. Im Vergleich zu Batterien auf Blei- und Nickelbasis verwenden Lithium-Ionen-Geräte eine Kathode, eine Anode und einen Elektrolyten als Leiter.
Wie alle Batterien speichern auch Lithium-Ionen-Batterien chemische Energie, die dann in elektrische Energie umgewandelt wird, um eine statische elektrische Ladung für die Stromversorgung bereitzustellen.
Lithium-Ionen-Batterien werden häufig für tragbare Elektronikgeräte wie Laptops, Smartphones sowie für Elektrofahrzeuge verwendet. Der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien weckt auch zunehmendes Interesse bei Militär und Luft- und Raumfahrtunternehmen.