Tecnología de ultrasonido de Hielscher

Ultrasonidos para el reciclaje de baterías de iones de litio

  • Las baterías de iones de litio que se usan en los automóviles eléctricos recién ahora están llegando al mercado masivo y con ello se deben desarrollar capacidades de reciclaje.
  • La lixiviación ultrasónica es una técnica eficiente y respetuosa con el medio ambiente para recuperar metales como Li, Mg, Co, Ni, etc. a partir de baterías de Li-ion gastadas.
  • Los sistemas ultrasónicos industriales de Hielscher para aplicaciones de lixiviación son confiables y robustos y se pueden integrar fácilmente en las 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 son un reto actual en lo que respecta a la gestión de residuos y el reciclaje. Las baterías son un importante factor de coste para los vehículos eléctricos, y su eliminación también es costosa. Los aspectos ambientales y económicos impulsan un circuito cerrado de reciclaje, ya que los residuos de las baterías contienen materiales valiosos y ayudan a reducir la huella de carbono de la fabricación de las baterías de iones de litio.
El reciclaje de baterías de Li-ion está creciendo para convertirse en un próspero sector industrial con el fin de garantizar la disponibilidad futura de metales de tierras raras y otros componentes de la batería y para reducir los costos ambientales de la minería.

Lixiviación ultrasónica industrial

La lixiviación ultrasónica y la extracción de metales se pueden aplicar a procesos de reciclaje de baterías de óxido de cobalto de litio (por ejemplo, desde computadoras portátiles, teléfonos inteligentes, etc.) así como de baterías complejas de litio-níquel-manganeso-cobalto (por ejemplo, de vehículos eléctricos).
Cavitation produced by Hielscher's UIP1000hdT with cascatrode El ultrasonido de alta potencia es muy conocido 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 unir ultrasonidos de alta potencia en líquidos / lechadas, las ondas alternas de baja y alta presión en líquidos generan pequeñas burbujas de vacío. Los pequeños vacíos de vacío crecen en varios ciclos de baja presión / alta presión hasta que implosionan violentamente. Las burbujas de vacío colapsadas se pueden considerar como microrreactores con temperaturas de hasta 5000 K, presiones de hasta 1000 atm y tasas de calentamiento y enfriamiento superiores a 10-10 ocurrir. Además, se generan fuertes fuerzas de cizalla hidrodinámicas 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 (Sonoquímica).

Hielscher's ultrasonicators are reliable and robust systems for the leaching of metals.

Procesador ultrasónico de 48kW
para aplicaciones exigentes como lixiviación de metales

Solicitar información




Observe nuestro Política de privacidad.


Lixiviación ultrasónica en el reciclado de baterías de ion-litio gastadas. (¡Click para agrandar!)

Lixiviación ultrasónica de metales a partir de residuos de baterías agotadas.

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 de hidróxido (• OH,) hidronio (H3O +) etc., que proporcionan condiciones reactivas extraordinarias en el líquido de modo que la velocidad de reacción aumenta significativamente. Los sólidos tales como las partículas se aceleran mediante los chorros de líquido y se muelen por colisión y abrasión interparticular aumentando el área de superficie activa y por lo tanto la transferencia de masa.
La gran ventaja de la lixiviación ultrasónica y la recuperación de metales 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 la salida objetivo. Además, la lixiviación ultrasónica elimina incluso las partículas metálicas más pequeñas del sustrato, al tiempo que preserva las microestructuras. La recuperación de metal mejorada se debe a la creación ultrasónica de superficies altamente reactivas, mayores velocidades de reacción y transporte de masa mejorado. Los procesos de sonicación pueden optimizarse influyendo en cada parámetro y, por lo tanto, no solo son muy efectivos sino también altamente eficientes en el consumo de energía.
Su exacto control de parámetros y eficiencia energética hacen que la lixiviación ultrasónica sea una técnica favorable y sobresaliente – especialmente cuando se compara con la lixiviación ácida complicada y las técnicas de quelación.

Recuperación ultrasónica de LiCoO2 de las baterías agotadas de iones de litio

La ultrasonicación ayuda a la lixiviación reductiva y la precipitación química, que se utilizan para recuperar Li como Li2CO3 y Co como Co (OH)2 a partir de baterías de iones de litio de desecho.
Zhang et al. (2014) informan la exitosa recuperación de LiCoO2 usando un reactor ultrasónico. para preparar la solución de partida de 600 ml, colocaron 10 g de LiCoO no válido2 polvo en un vaso de precipitados y se añadieron 2,0 mol / l de solución de LiOH, que se mezclaron.
La mezcla se vertió en la irradiación ultrasónica y se inició el dispositivo de agitación, el dispositivo de agitación se colocó en el interior del recipiente de reacción. Se calentó a 120 ° C, y luego dispositivo ultrasónico se ajustó a 800W y el modo de acción ultrasónico se ajustó a ciclos de trabajo pulsado de 5 segundos. ON / 2sec. APAGADO. La irradiación ultrasónica se aplicó durante 6 h, y luego 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 pruebas posteriores y producción de batería. La capacidad de carga en el primer ciclo es 134.2mAh / g y la capacidad de descarga es 133.5mAh / g. La eficiencia de carga y descarga por primera vez fue del 99.5%. Después de 40 ciclos, la capacidad de descarga sigue siendo 132.9mAh / g. (Zhang et al. 2014)

Cristales de LiCoO2 recuperados por ultrasonidos. (¡Click para agrandar!)

Se utilizaron cristales de LiCoO2 antes (a) y después (b) de un tratamiento de ultrasonido a 120 ° C durante 6 h. fuente: Zhang et al. 2014

La lixiviación ultrasónica con ácidos orgánicos, como el ácido cítrico, no solo es eficaz, sino también respetuosa con el medio ambiente. La investigación descubrió que la lixiviación de Co y Li es más eficiente con el ácido cítrico que con los ácidos inorgánicos H2ASI QUE4 y HCl. Más del 96% de Co y casi el 100% de Li se recuperaron de las 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 ventajas económicas y ambientales adicionales de la sonicación.

Ultrasonidos industriales de alta potencia

UIP4000hdT - Hielscher's 4kW high-performance ultrasonic system Hielscher Ultrasonics es su proveedor de larga experiencia para sistemas ultrasónicos altamente eficientes y confiables, que entregan la potencia requerida para lixiviar metales de materiales de desecho. Para poder reprocesar las baterías de li-ion mediante la extracción de metales como el cobalto, el litio, el níquel y el manganeso, son esenciales sistemas ultrasónicos potentes y robustos. Hielscher Ultrasonics’ unidades industriales como el UIP4000hdT (4 kW), UIP10000 (10kW) y UIP16000 (16kW) son los sistemas de ultrasonido de alto rendimiento más potentes y robustos del mercado. Todas nuestras unidades industriales se pueden ejecutar de forma continua con amplitudes muy altas de hasta 200 μm en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún más altas, están disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez del equipo ultrasónico de Hielscher permite un funcionamiento 24/7 en trabajos pesados ​​y en entornos exigentes. Hielscher suministra sonotrodos y reactores especiales para altas temperaturas, presiones y líquidos corrosivos, también. Esto hace que nuestros ultrasonicadores 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:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

Póngase en contacto con nosotros/Envíenos su pregunta

Por favor, utilice el siguiente formulario si desea más información sobre procesos de homogeneización por ultrasonidos. Estaremos encantados de ofrecerle un equipo ultrasónico que cumpla con sus requerimientos.









Por favor, tenga en cuenta Política de privacidad.


Literatura/Referencias

  • Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): Recuperación de litio y cobalto de baterías de iones de litio gastadas usando ácidos orgánicos: Optimización del proceso y aspectos cinéticos. Waste Management 64, 2017. 244-254.
  • Shin S.-M .; Lee D.-W .; Wang J.-P. (2018): Fabricación de polvo de níquel en níquel de LiNiO2 de la batería de iones de litio gastada. Metales 8, 2018.
  • Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Renovación hidrotermal asistida por ultrasonido de LiCoO2 del cátodo de baterías de iones de litio gastadas. En t. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
  • Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Recuperación del material de óxido de cobalto de litio del cátodo de las baterías de iones de litio agotadas. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.


Información interesante

Baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio (LIB) son el término colectivo para baterías (recargables) que ofrecen una alta densidad de energía y se integran con frecuencia en productos electrónicos de consumo como automóviles electrónicos, automóviles híbridos, computadoras portátiles, teléfonos celulares, iPods, etc. En comparación con otras variantes de baterías recargables con tamaño y capacidad similar, las LIB son significativamente más ligeras.
A diferencia de la batería primaria de litio desechable, una LIB usa compuesto de litio intercalado en lugar de litio metálico como su electrodo. Los principales constituyentes de una batería de iones de litio son sus electrodos – ánodo y cátodo – y el electrolito.
La mayoría de las células comparten componentes comunes en términos de electrolito, separador, láminas y carcasa. La principal diferencia entre las tecnologías celulares es el material utilizado como “materiales activos” como cátodo y ánodo. El grafito es el material más frecuentemente utilizado como ánodo, mientras que el cátodo está hecho de LiMO2 estratificado (M = Mn, Co y Ni), espinela LiMn2O4, u olivino LiFePO4. Los electrolitos líquidos electrolíticos orgánicos (por ejemplo, la sal de LiPF6 disuelta en una mezcla de disolventes orgánicos, tales como carbonato de etileno (EC), carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de dietilo (DEC), carbonato de etilo y metilo (EMC), etc.) permiten movimiento iónico
Dependiendo de los materiales del electrodo positivo (cátodo) y negativo (ánodo), la densidad de energía y el voltaje de las LIB varían, respectivamente.
Cuando se usa en vehículos eléctricos, a menudo se usa una batería de vehículo eléctrico (EVB) o una batería de tracción. Estas baterías de tracción se utilizan en carretillas elevadoras, carros de golf eléctricos, lavadores de piso, motocicletas eléctricas, automóviles eléctricos, camiones, furgonetas y otros vehículos eléctricos.

Reciclaje de metales con baterías de ion-litio gastadas

En comparación con otros tipos de baterías que a menudo contienen plomo o cadmio, las baterías de ion de litio contienen metales menos tóxicos y, por lo tanto, se consideran inocuas para el medio ambiente. Sin embargo, la gran cantidad de baterías de iones de litio gastadas, que deberán desecharse como baterías gastadas de los automóviles eléctricos, presentan un problema de residuos. Por lo tanto, es necesario un circuito cerrado de reciclaje de baterías de iones de litio. Desde un punto de vista económico, los elementos metálicos como hierro, cobre, níquel, cobalto y litio se pueden recuperar y reutilizar en la producción de baterías nuevas. El reciclaje podría evitar una escasez futura, también.
Aunque las baterías con mayores cargas de níquel están llegando al mercado, no es posible producir baterías sin cobalto. El mayor contenido de níquel tiene un costo: con un mayor contenido de níquel, la estabilidad de la batería disminuye y, por lo tanto, se reduce su ciclo de vida y la capacidad de carga rápida.

Creciente demanda de baterías Li-ion. Fuente: Deutsche Bank

La creciente demanda de baterías Li-ion requiere el aumento de la capacidad de reciclaje de baterías usadas.

Proceso de reciclado

Las baterías de vehículos eléctricos como el Tesla Roadster tienen una vida útil aproximada de 10 años.
El reciclado de baterías agotadas de Li-ion es un proceso exigente ya que se trata de productos químicos de alto voltaje y peligrosos, que conllevan riesgos de embalamiento térmico, descargas eléctricas y la emisión de sustancias peligrosas.
Para establecer un reciclaje de circuito cerrado, cada enlace químico y todos los elementos se deben separar en sus fracciones individuales. Sin embargo, la energía requerida para un reciclaje de circuito cerrado de este tipo es muy costosa. Los materiales más valiosos para la recuperación son metales como Ni, Co, Cu, Li, etc. ya que la costosa extracción y los altos precios de mercado de los componentes metálicos hacen que el reciclaje sea económicamente atractivo.
El proceso de reciclaje de las baterías de Li-ion comienza con el desmontaje y la descarga de las baterías. Antes de abrir la batería, se requiere una pasivación para inactivar los químicos en la batería. La pasivación se puede lograr mediante congelación criogénica u oxidación controlada. Dependiendo del tamaño de la batería, las baterías se pueden desmontar y desmontar hasta la celda. Después del desmontaje y la trituración, los componentes se aíslan por varios métodos (por ejemplo, cribado, tamizado, selección manual, separación magnética, húmeda y balística) para eliminar las envolturas de celdas, aluminio, cobre y plásticos del polvo del electrodo. La separación de los materiales del electrodo es necesaria para los procesos posteriores, por ejemplo, el tratamiento hidrometalúrgico.
Pirólisis
Para el procesamiento pirolítico, las baterías trituradas se funden en un horno donde se agrega caliza como agente formador de escoria.

Procesos hidrotérmicos
El procesamiento hidrometalúrgico se basa en reacciones ácidas para precipitar las sales como metales. Los procesos hidrometalúrgicos típicos incluyen lixiviación, precipitación, intercambio iónico, extracción con disolvente y electrólisis de soluciones acuosas.
La ventaja del procesamiento hidrotérmico es el alto rendimiento de recuperación de + 95% de Ni y Co como sales, más del 90% de Li puede precipitarse, y el resto puede recuperarse hasta + 80%.

Especialmente el cobalto es un componente crítico en los cátodos de baterías de iones de litio para aplicaciones de alta energía y potencia.
Los autos híbridos actuales, como el Toyota Prius, usan baterías de hidruro metálico de níquel, que se desmantelan, descargan y reciclan de manera similar a las baterías de iones de litio.

Hielscher Ultrasonics fabrica ultrasonicadores de alto rendimiento.

Sonicación potente desde el laboratorio y desde la mesa hasta la producción industrial.