Ultrasonidos para el reciclaje de baterías de iones de litio

• Las baterías de iones de litio utilizadas en los coches eléctricos acaban de llegar al mercado de masas y, con ellas, deben desarrollarse capacidades de reciclado.
• La lixiviación por ultrasonidos es una técnica eficaz y respetuosa con el medio ambiente para recuperar metales como Li, Mg, Co, Ni, etc. de las baterías de ión-litio gastadas.
• Los sistemas ultrasónicos industriales de Hielscher para aplicaciones de lixiviación son fiables y robustos y pueden integrarse fácilmente en las plantas de reciclaje existentes.

Reciclaje de pilas de iones de litio

Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente en vehículos eléctricos (VE), ordenadores portátiles y teléfonos móviles. Esto significa que las baterías de iones de litio gastadas son un reto actual en cuanto a gestión de residuos y reciclaje. Las baterías son uno de los principales factores de coste de los vehículos eléctricos, y su eliminación también es cara. Aspectos medioambientales y económicos abogan por un circuito cerrado de reciclado, ya que los residuos de las baterías contienen materiales valiosos y ayudan a reducir la huella de carbono de la fabricación de baterías de iones de litio.
El reciclaje de baterías de iones de litio se está convirtiendo en un próspero sector industrial para garantizar la futura disponibilidad de metales de tierras raras y otros componentes de las baterías y reducir los costes medioambientales de la minería.

Reciclaje pirometalúrgico e hidrometalúrgico vs. Reciclaje de baterías por ultrasonidos

A continuación, comparamos los métodos convencionales de los procesos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos con la técnica de lixiviación por ultrasonidos en cuanto a ventajas e inconvenientes.

Los inconvenientes del reciclado convencional de pilas

Los métodos tradicionales utilizados para el reciclado de baterías de iones de litio incluyen procesos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos.
 
Métodos pirometalúrgicos implican procesos de alta temperatura, como la fundición o la incineración. Las pilas se someten a un calor extremo, lo que provoca la combustión de los componentes orgánicos, y los componentes metálicos restantes se funden y separan. Sin embargo, estos métodos tienen algunas desventajas:

• Impacto medioambiental: Los procesos pirometalúrgicos liberan emisiones nocivas y contaminantes a la atmósfera, lo que contribuye a la contaminación atmosférica y puede provocar riesgos para la salud.
• Pérdida de materiales: Los procesos a alta temperatura pueden provocar la pérdida de materiales y metales valiosos debido a la degradación térmica, lo que reduce la tasa global de recuperación.
• Intensivo en energía: Estos métodos suelen requerir un importante aporte de energía, lo que aumenta los costes operativos y la huella medioambiental.

 
Métodos hidrometalúrgicos implican la lixiviación química para disolver los componentes de la pila y extraer los metales valiosos. Aunque es más respetuosa con el medio ambiente que los métodos pirometalúrgicos, la hidrometalurgia tiene sus propios inconvenientes:

• Uso químico: Para la lixiviación se necesitan ácidos fuertes u otros productos químicos corrosivos, lo que plantea problemas de manipulación de productos químicos, gestión de residuos y posible contaminación del medio ambiente.
• Retos de selectividad: Lograr la lixiviación selectiva de los metales deseados puede ser difícil, lo que conduce a tasas de recuperación más bajas y a la pérdida potencial de recursos valiosos.

 

Ventajas de la lixiviación ultrasónica de baterías sobre las técnicas convencionales

En comparación con las técnicas de reciclado pirometalúrgico e hidrometalúrgico, la técnica de reciclado de pilas por ultrasonidos se impone gracias a diversas ventajas:

1. Mayor eficiencia: La sonicación ultrasónica puede acelerar la descomposición de los materiales de las pilas, lo que reduce el tiempo de procesamiento y aumenta la eficacia global.
2. Mejora de las tasas de recuperación: La aplicación controlada de cavitación ultrasónica mejora la descomposición de los componentes de la pila, aumentando las tasas de recuperación de metales valiosos.
3. Respetuoso con el medio ambiente: El reciclado por ultrasonidos reduce la dependencia de las altas temperaturas y los productos químicos agresivos, lo que minimiza el impacto medioambiental y disminuye las emisiones contaminantes.
4. Lixiviación selectiva: La aplicación controlada de ultrasonidos permite la disolución selectiva de componentes específicos de la pila, separándolos eficazmente. Dado que los diferentes compuestos reciclables de la pila se eliminan y disuelven bajo intensidades ultrasónicas específicas, la optimización de los parámetros de procesamiento permite una lixiviación selectiva de los materiales individuales. Esto facilita la separación eficaz de metales y materiales valiosos.
5. Reducción del consumo de energía: En comparación con los métodos hidrometalúrgicos y, sobre todo, con los pirometalúrgicos, el reciclado por ultrasonidos suele ser más eficiente desde el punto de vista energético, lo que se traduce en una reducción de los costes operativos y de la huella de carbono.
6. Escalabilidad y flexibilidad: Los sistemas de ultrasonidos pueden ampliarse o reducirse fácilmente para adaptarse a distintos tamaños de baterías y capacidades de producción. Además, los ultrasonidos para el reciclado de baterías pueden integrarse fácilmente en instalaciones de reciclado de baterías ya existentes. Los ultrasonidos, disponibles en varias escalas de potencia y con accesorios a juego como sondas ultrasónicas y reactores de celdas de flujo, pueden tratar componentes de baterías de varios tamaños y capacidades de producción, lo que proporciona escalabilidad y adaptabilidad en los procesos de reciclaje.
7. Integración sinérgica: La lixiviación por ultrasonidos puede integrarse en las líneas hidrometalúrgicas de reciclado de baterías existentes para intensificar y mejorar la lixiviación hidrometalúrgica de metales y materiales valiosos procedentes de baterías de iones de litio usadas.

En general, el reciclado ultrasónico de pilas promete ser un método más respetuoso con el medio ambiente, eficaz y selectivo que los métodos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos tradicionales.

 

Lixiviación industrial por ultrasonidos para recuperar metales de pilas usadas

La lixiviación ultrasónica y la extracción de metales pueden aplicarse a los procesos de reciclaje de baterías de óxido de litio-cobalto (por ejemplo, de ordenadores portátiles, smartphones, etc.), así como de baterías complejas de litio-níquel-manganeso-cobalto (por ejemplo, de vehículos eléctricos).
Los ultrasonidos de alta potencia son bien conocidos por su capacidad para procesar líquidos y lodos químicos con el fin de mejorar la transferencia de masa e iniciar reacciones químicas.
Los intensos efectos de la ultrasonicación de potencia se basan en el fenómeno de la cavitación acústica. Al acoplar ultrasonidos de alta potencia en líquidos / lodos, las ondas alternantes de baja presión y alta presión en los líquidos generan pequeñas burbujas de vacío. Las pequeñas burbujas de vacío crecen a lo largo de varios ciclos de baja y alta presión hasta que implosionan violentamente. El colapso de las burbujas de vacío puede considerarse como microrreactores en los que temperaturas de hasta 5000K, presiones de hasta 1000atm y velocidades de calentamiento y enfriamiento superiores al 10^-10 se producen. Además, se generan fuertes fuerzas hidrodinámicas de cizallamiento y chorros de líquido con una velocidad de hasta 280 m/s. Estas condiciones extremas de cavitación acústica crean condiciones físicas y químicas extraordinarias en líquidos por lo demás fríos y crean un entorno beneficioso para las reacciones químicas (las llamadas Sonoquímica).

La cavitación generada por ultrasonidos puede inducir la termólisis de solutos, así como la formación de radicales y reactivos altamente reactivos, como radicales libres, iones hidróxido (-OH,) hidronio (H₃O+), etc., que proporcionan unas condiciones reactivas extraordinarias en el líquido, de modo que la velocidad de reacción aumenta considerablemente. Los sólidos, como las partículas, son acelerados por los chorros de líquido y se trituran por colisión interparticular y abrasión aumentando la superficie activa y, por tanto, la transferencia de masa.
La gran ventaja de la lixiviación y recuperación de metales por ultrasonidos es el control preciso de los parámetros del proceso, como la amplitud, la presión y la temperatura. Estos parámetros permiten ajustar las condiciones de reacción exactamente al medio de proceso y al resultado deseado. Además, la lixiviación por ultrasonidos elimina incluso las partículas metálicas más pequeñas del sustrato, al tiempo que preserva las microestructuras. La mayor recuperación de metales se debe a la creación por ultrasonidos de superficies altamente reactivas, al aumento de la velocidad de reacción y a la mejora del transporte de masas. Los procesos de sonicación pueden optimizarse influyendo en cada parámetro, por lo que no sólo son muy eficaces, sino también muy eficientes desde el punto de vista energético.
Su control exacto de los parámetros y su eficiencia energética hacen de la lixiviación por ultrasonidos una técnica favorable y excelente. – especialmente en comparación con las complicadas técnicas de lixiviación ácida y quelación.

Recuperación por ultrasonidos de LiCoO₂ a partir de pilas de iones de litio gastadas

La ultrasonicación ayuda a la lixiviación reductora y a la precipitación química, que se utilizan para recuperar el Li como Li₂CO₃ y Co como Co(OH)₂ a partir de residuos de baterías de iones de litio.
Zhang et al. (2014) informan de la recuperación con éxito de LiCoO₂ utilizando un reactor ultrasónico. Para preparar la solución de partida de 600mL, colocaron 10g de LiCoO inválido₂ polvo en un vaso de precipitados y se añadieron 2,0mol/L de solución de LiOH, que se mezclaron.
La mezcla se vertió en la irradiación ultrasónica y se puso en marcha el dispositivo de agitación, el dispositivo de agitación se colocó en el interior del recipiente de reacción. Se calentó a 120◦C y, a continuación, la Dispositivo ultrasónico se fijó en 800W y el modo de acción ultrasónica se fijó en ciclos de trabajo pulsados de 5 seg. ON / 2seg. OFF. La irradiación ultrasónica se aplicó durante 6 h y, a continuación, la mezcla de reacción se enfrió a temperatura ambiente. El residuo sólido se lavó varias veces con agua desionizada y se secó a 80◦C hasta peso constante. La muestra obtenida se recogió para su posterior ensayo y producción de baterías. La capacidad de carga en el primer ciclo es de 134,2mAh/g y la de descarga de 133,5mAh/g. La eficiencia de carga y descarga en el primer ciclo fue del 99,5%. Después de 40 ciclos, la capacidad de descarga sigue siendo de 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
La lixiviación ultrasónica con ácidos orgánicos como el ácido cítrico no sólo es eficaz, sino también respetuosa con el medio ambiente. La investigación descubrió que la lixiviación de Co y Li es más eficaz con ácido cítrico que con los ácidos inorgánicos H2SO4 y HCl. Se recuperó más del 96% de Co y casi el 100% de Li de baterías de iones de litio gastadas. El hecho de que los ácidos orgánicos como el ácido cítrico y el ácido acético sean baratos y biodegradables contribuye a aumentar las ventajas económicas y medioambientales de la sonicación.

Ultrasonidos industriales de alta potencia para la lixiviación de metales de baterías gastadas

Hielscher Ultrasonics es su proveedor de larga experiencia en sistemas de ultrasonidos altamente eficientes y fiables, que proporcionan la potencia necesaria para lixiviar metales de materiales de desecho. Para reprocesar baterías de iones de litio extrayendo metales como cobalto, litio, níquel y manganeso, son esenciales sistemas ultrasónicos potentes y robustos. Las unidades industriales de Hielscher Ultrasonics, como la UIP4000hdT (4 kW), la UIP6000hdT (6 kW), la UIP10000 (10 kW) y la UIP16000 (16 kW), son los sistemas de ultrasonidos de alto rendimiento más potentes y robustos del mercado. Todas nuestras unidades industriales pueden funcionar de forma continua con amplitudes muy elevadas de hasta 200µm en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, disponemos de sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite su funcionamiento 24/7 en servicio pesado y en entornos exigentes. Hielscher suministra también sonotrodos y reactores especiales para altas temperaturas, presiones y líquidos corrosivos. Esto hace que nuestros ultrasonidos industriales sean los más adecuados para técnicas de metalurgia extractiva, por ejemplo, tratamientos hidrometalúrgicos.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

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Literatura/Referencias

• Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): Recovery of lithium and cobalt from spent lithium-ion batteries using organic acids: Process optimization and kinetic aspects. Waste Management 64, 2017. 244–254.
• Shin S.-M.; Lee D.-W.; Wang J.-P. (2018): Fabrication of Nickel Nanosized Powder from LiNiO₂ from Spent Lithium-Ion Battery. Metals 8, 2018.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO₂ from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Recovery of Lithium Cobalt Oxide Material from the Cathode of Spent Lithium-Ion Batteries. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.