Ultrasonidos para el reciclaje de baterías de iones de litio

• Las baterías de iones de litio utilizadas en los coches eléctricos están empezando a llegar al mercado de masas, lo que exige desarrollar la capacidad de reciclaje.
• La lixiviación ultrasónica es una técnica eficiente y respetuosa con el medio ambiente para recuperar metales como Li, Mg, Co, Ni, etc., de baterías de iones de litio usadas.
• Los sistemas ultrasónicos industriales de Hielscher para aplicaciones de lixiviación son fiables y robustos y pueden integrarse fácilmente en plantas de reciclaje existentes.

Reciclaje de baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente en vehículos eléctricos (EV), ordenadores portátiles y teléfonos móviles. Esto significa que las baterías de iones de litio usadas constituyen un reto actual para la gestión de residuos y el reciclaje. Las baterías representan una parte importante del coste de los EV, y su eliminación también es costosa. Los factores ambientales y económicos impulsan el reciclaje en circuito cerrado, ya que los residuos de baterías contienen materiales valiosos y su reciclaje ayuda 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 sector industrial próspero para garantizar la disponibilidad futura de metales de tierras raras y otros componentes de las baterías y reducir los costes ambientales de la minería.

Reciclaje pirometalúrgico e hidrometalúrgico frente al reciclaje ultrasónico de baterías

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

Inconvenientes del reciclaje convencional de baterías

Los métodos tradicionales utilizados para el reciclaje de baterías de iones de litio incluyen procesos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos.
 
Los métodos pirometalúrgicos implican procesos a alta temperatura, como la fundición o la incineración. Las baterías se someten a calor extremo, que provoca la combustión de los componentes orgánicos, mientras que los componentes metálicos restantes se funden y se separan. Sin embargo, estos métodos presentan algunos inconvenientes:

• Impacto ambiental: Los procesos pirometalúrgicos liberan emisiones nocivas y contaminantes a la atmósfera, lo que contribuye a la contaminación del aire y puede ocasionar 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.
• Alto consumo energético: Estos métodos suelen requerir un aporte energético considerable, lo que aumenta los costes operativos y la huella ambiental.

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

• Uso de productos químicos: La lixiviación requiere ácidos fuertes u otros productos químicos corrosivos, lo que suscita preocupaciones sobre la manipulación de productos químicos, la gestión de residuos y la posible contaminación ambiental.
• Dificultades de selectividad: Lograr una lixiviación selectiva de los metales deseados puede resultar difícil, lo que da lugar a tasas de recuperación más bajas y a la posible pérdida de recursos valiosos.

 

Ventajas de la lixiviación ultrasónica de baterías frente a las técnicas convencionales

En comparación con las técnicas de reciclaje pirometalúrgicas e hidrometalúrgicas, la técnica de reciclaje ultrasónico de baterías ofrece un rendimiento superior gracias a diversas ventajas:

1. Mayor eficiencia: La sonicación ultrasónica puede acelerar la desintegración de los materiales de las baterías, lo que reduce los tiempos de procesamiento y aumenta la eficiencia global.
2. Mayores tasas de recuperación: La aplicación controlada de cavitación ultrasónica mejora la desintegración de los componentes de las baterías y aumenta las tasas de recuperación de metales valiosos.
3. Respeto por el medio ambiente: El reciclaje ultrasónico reduce la dependencia de las altas temperaturas y los productos químicos agresivos, minimiza el impacto ambiental y disminuye las emisiones de contaminantes.
4. Lixiviación selectiva: La aplicación controlada de ultrasonidos permite desintegrar de forma dirigida componentes específicos de la batería y separarlos eficientemente. Puesto que los distintos compuestos reciclables de las baterías se retiran y disuelven a intensidades ultrasónicas específicas, la optimización de los parámetros de procesamiento permite la lixiviación selectiva de cada material. Esto facilita la separación eficiente de metales y materiales valiosos.
5. Menor consumo energético: En comparación con los métodos hidrometalúrgicos y, especialmente, con los pirometalúrgicos, el reciclaje ultrasónico suele ser más eficiente energéticamente, lo que reduce los costes operativos y la huella de carbono.
6. Escalabilidad y flexibilidad: Los sistemas ultrasónicos pueden ampliarse o reducirse fácilmente para adaptarse a distintos tamaños de baterías y capacidades de producción. Además, los sonicadores para el reciclaje de baterías pueden integrarse fácilmente en instalaciones de reciclaje de baterías existentes. Disponibles en distintos niveles de potencia y con accesorios compatibles, como sondas ultrasónicas y reactores de celda de flujo, los sonicadores pueden procesar componentes de baterías de diversos tamaños y trabajar con distintas capacidades de producción, aportando escalabilidad y adaptabilidad a los procesos de reciclaje.
7. Integración sinérgica: La lixiviación ultrasónica puede integrarse en líneas de reciclaje hidrometalúrgico de baterías existentes para intensificar y mejorar la lixiviación hidrometalúrgica de metales y materiales valiosos procedentes de baterías de iones de litio usadas.

En conjunto, el reciclaje ultrasónico de baterías se perfila como un método más respetuoso con el medio ambiente, eficiente y selectivo que los enfoques pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos tradicionales.

 

Lixiviación ultrasónica industrial para recuperar metales de baterías usadas

La lixiviación ultrasónica y la extracción de metales pueden aplicarse a procesos de reciclaje de baterías de óxido de litio y cobalto (por ejemplo, de ordenadores portátiles, teléfonos inteligentes, 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 químicos y suspensiones con el fin de mejorar la transferencia de masa e iniciar reacciones químicas.
Los intensos efectos de la sonicación de potencia se basan en el fenómeno de la cavitación acústica. Al acoplar ultrasonidos de alta potencia a líquidos / suspensiones, las ondas alternas de baja y alta presión generan pequeñas burbujas de vacío en los líquidos. Estas pequeñas cavidades de vacío crecen a lo largo de varios ciclos de baja presión / alta presión hasta que implosionan violentamente. Las burbujas de vacío que colapsan pueden considerarse microrreactores en los que se alcanzan temperaturas de hasta 5000K, presiones de hasta 1000atm y velocidades de calentamiento y enfriamiento superiores a 10^-10 . Además, se generan intensas fuerzas de cizallamiento hidrodinámico y chorros de líquido con velocidades de hasta 280 m/s. Estas condiciones extremas de cavitación acústica generan condiciones físicas y químicas extraordinarias en líquidos que, por lo demás, están fríos y crean un entorno favorable para las reacciones químicas (la denominada sonoquímica).

La cavitación generada por ultrasonidos puede inducir la termólisis de los solutos y la formación de radicales y reactivos altamente reactivos, como radicales libres, iones hidróxido (•OH,) e hidronio (H₃O+), etc., que proporcionan condiciones de reactividad extraordinarias en el líquido, de modo que la velocidad de reacción aumenta significativamente. Los sólidos, como las partículas, son acelerados por los chorros de líquido y se muelen mediante colisiones entre partículas y abrasión, lo que aumenta la superficie activa y, con ello, la transferencia de masa.
La gran ventaja de la lixiviación ultrasónica y la recuperación de metales es el control preciso de parámetros del proceso como la amplitud, la presión y la temperatura. Estos parámetros permiten ajustar con exactitud las condiciones de reacción al medio de proceso y al resultado deseado. Además, la lixiviación ultrasónica elimina del sustrato incluso las partículas metálicas más pequeñas, al tiempo que preserva las microestructuras. La mejora en la recuperación de metales se debe a la creación de superficies altamente reactivas mediante ultrasonidos, al aumento de las velocidades de reacción y a la mejora del transporte de masa. Los procesos de sonicación pueden optimizarse ajustando cada parámetro, por lo que son muy eficaces y, además, altamente eficientes desde el punto de vista energético.
Su control exacto de los parámetros y su eficiencia energética hacen de la lixiviación ultrasónica una técnica ventajosa y de rendimiento superior – especialmente en comparación con las complejas técnicas de lixiviación ácida y quelación.

Recuperación ultrasónica de LiCoO₂ a partir de baterías de iones de litio usadas

La sonicación favorece la lixiviación reductora y la precipitación química, que se utilizan para recuperar Li como Li₂CO₃ y Co como Co(OH)₂ a partir de residuos de baterías de iones de litio.
Zhang et al. (2014) describen la recuperación satisfactoria de LiCoO₂ mediante un reactor ultrasónico. Para preparar la solución inicial de 600 mL, colocaron 10 g de polvo de LiCoO₂ inservible en un vaso de precipitados y añadieron una solución de LiOH de 2,0mol/L; ambos se mezclaron.
La mezcla se vertió en la irradiación ultrasónica y se puso en marcha el dispositivo de agitación, situado en el interior del recipiente de reacción. Se calentó a 120◦C y, a continuación, el dispositivo ultrasónico se ajustó a 800 W y el modo de funcionamiento ultrasónico se configuró con ciclos de trabajo pulsados de 5 sec. ENCENDIDO / 2sec. APAGADO. La irradiación ultrasónica se aplicó durante 6h y, después, la mezcla de reacción se enfrió hasta alcanzar la temperatura ambiente. El residuo sólido se lavó varias veces con agua desionizada y se secó a 80◦C hasta alcanzar un peso constante. La muestra obtenida se recogió para realizar ensayos posteriores y fabricar baterías. La capacidad de carga en el primer ciclo es de 134,2mAh/g y la capacidad de descarga es de 133,5mAh/g. La eficiencia de carga y descarga del primer ciclo fue del 99,5%. Tras 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, es eficaz y también respetuosa con el medio ambiente. Las investigaciones demostraron que la lixiviación de Co y Li es más eficiente con ácido cítrico que con los ácidos inorgánicos H2SO4 y HCl. Se recuperó más del 96% del Co y casi el 100% del Li de baterías de iones de litio usadas. El hecho de que los ácidos orgánicos, como el ácido cítrico y el ácido acético, sean económicos y biodegradables aporta ventajas económicas y ambientales adicionales a la sonicación.

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

Hielscher Ultrasonics es su proveedor con amplia experiencia en sistemas ultrasónicos altamente eficientes y fiables, que suministran la potencia necesaria para lixiviar metales de materiales residuales. Para reprocesar baterías de iones de litio mediante la extracción de metales como cobalto, litio, níquel y manganeso, es esencial disponer de sistemas ultrasónicos potentes y robustos. Las unidades industriales de Hielscher Ultrasonics, como UIP4000hdT (4 kW), UIP6000hdT (6 kW), UIP10000 (10 kW) y UIP16000 (16 kW), son los sistemas ultrasónicos de alto rendimiento más potentes y robustos del mercado. Todas nuestras unidades industriales pueden funcionar de forma continua con amplitudes muy elevadas de hasta 200 µm en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 bajo cargas de trabajo intensivas y en entornos exigentes. Hielscher también suministra sonotrodos y reactores especiales para altas temperaturas, presiones y líquidos corrosivos. Esto hace que nuestros sonicadores industriales resulten especialmente adecuados para técnicas de metalurgia extractiva, como los tratamientos hidrometalúrgicos.

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores:

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Bibliografía/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.