Technologie des ultrasons Hielscher

Ultrasons pour le recyclage des batteries au lithium-ion

  • Les batteries au lithium-ion utilisées dans les voitures électriques viennent tout juste d'arriver sur le marché de masse et, avec elles, les capacités de recyclage doivent être développées.
  • La lixiviation ultrasonique est une technique efficace et respectueuse de l'environnement pour récupérer des métaux tels que Li, Mg, Co, Ni, etc. à partir des batteries Li-ion usagées.
  • Les systèmes ultrasoniques industriels de Hielscher pour les applications de lixiviation sont fiables et robustes et peuvent être facilement intégrés dans les usines de recyclage existantes.

Recyclage des batteries au lithium-ion

Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans les véhicules électriques (VE), les ordinateurs portables et les téléphones portables. Cela signifie que les batteries lithium-ion usagées constituent un défi actuel en matière de gestion et de recyclage des déchets. Les batteries sont un important facteur de coût pour les VE, et leur élimination est également coûteuse. Les aspects environnementaux et économiques plaident en faveur d'un circuit de recyclage fermé, car les déchets de piles contiennent des matériaux précieux et contribuent à réduire l'empreinte carbone de la fabrication des piles Lithium-ion.
Le recyclage des batteries Li-ion est en passe de devenir un secteur industriel en plein essor afin d'assurer la disponibilité future de métaux de terres rares et d'autres composants de batterie et de réduire les coûts environnementaux de l'exploitation minière.

Lixiviation ultrasonique industrielle

La lixiviation par ultrasons et l'extraction de métaux peuvent être appliquées aux processus de recyclage des piles au lithium-oxyde de cobalt (par exemple, ordinateurs portables, smartphones, etc.) ainsi que des batteries au lithium-nickel-manganèse-cobalt complexes (par exemple véhicules électriques).
Cavitation produced by Hielscher's UIP1000hdT with cascatrode Les ultrasons à haute puissance sont bien connus pour leur capacité à traiter des liquides et des boues chimiques afin d'améliorer le transfert de masse et initier des réactions chimiques.
Les effets intenses de l'ultrasonication de puissance sont basés sur le phénomène de la cavitation acoustique. En couplant des ultrasons de haute puissance dans des liquides / boues, les ondes alternées de basse pression et de haute pression dans les liquides génèrent de petites bulles de vide. Les petits vides de vide se développent sur divers cycles à basse pression / haute pression jusqu'à l'implosion violente. Les bulles de vide qui s'affaissent peuvent être considérées comme des microréacteurs dans lesquels des températures allant jusqu'à 5000K, des pressions allant jusqu'à 1000atm, et des vitesses de chauffage et de refroidissement supérieures à 10-dix se produire. En outre, de fortes forces de cisaillement hydrodynamiques et des jets de liquide ayant une vitesse allant jusqu'à 280 m / s sont générés. Ces conditions extrêmes de cavitation acoustique créent des conditions physiques et chimiques extraordinaires dans des liquides autrement froids et créent un environnement favorable aux réactions chimiques (sonochimie).

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

Processeur à ultrasons 48kW
pour des applications exigeantes telles que la lixiviation des métaux

Demande d'information





Lixiviation par ultrasons dans le recyclage des batteries au lithium-ion usées. (Cliquez pour agrandir!)

Lixiviation ultrasonique des métaux provenant des déchets de batterie épuisés.

La cavitation générée par ultrasons peut induire la thermolyse des solutés ainsi que la formation de radicaux et de réactifs hautement réactifs, tels que les radicaux libres, les ions hydroxyde (• OH,) hydronium (H3O +) etc., qui fournissent des conditions réactives extraordinaires dans le liquide de sorte que la vitesse de réaction est augmentée de manière significative. Les solides tels que les particules sont accélérés par les jets de liquide et sont broyés par collision et abrasion interparticulaire augmentant la surface active et par conséquent le transfert de masse.
Le grand avantage de la lixiviation ultrasonique et de la récupération des métaux est le contrôle précis des paramètres du processus tels que l'amplitude, la pression et la température. Ces paramètres permettent d'ajuster les conditions de réaction exactement au milieu de traitement et à la sortie visée. En outre, la lixiviation ultrasonique élimine même les plus petites particules métalliques du substrat, tout en préservant les microstructures. La récupération améliorée du métal est due à la création par ultrasons de surfaces hautement réactives, à des vitesses de réaction accrues et à un transport de masse amélioré. Les processus de sonication peuvent être optimisés en influençant chaque paramètre et sont donc non seulement très efficaces mais également très économes en énergie.
Son contrôle précis des paramètres et son efficacité énergétique font de la lixiviation ultrasonique une technique favorable et excellente – en particulier par rapport aux techniques compliquées de lixiviation et de chélation des acides.

Récupération par ultrasons de LiCoO2 de piles au lithium-ion usées

Ultrasonication aide la lixiviation réductrice et la précipitation chimique, qui sont utilisés pour récupérer Li comme Li2CO3 et Co comme Co (OH)2 de déchets de batteries lithium-ion.
Zhang et al. (2014) rapportent la récupération réussie de LiCoO2 en utilisant un réacteur à ultrasons. afin de préparer la solution de départ de 600mL, ils ont placé 10g de LiCoO invalide2 Poudre dans un bécher et ajouté 2,0 mol / L de solution de LiOH, qui ont été mélangés.
Le mélange a été versé dans l'irradiation aux ultrasons et le dispositif d'agitation a été démarré, le dispositif d'agitation a été placé à l'intérieur du récipient de réaction. Il a été chauffé à 120 ° C, puis le appareil à ultrasons a été réglé à 800 W et le mode d'action ultrasonique a été réglé sur des cycles de service pulsés de 5 secondes. ON / 2sec. DE. L'irradiation aux ultrasons a été appliquée pendant 6 heures, puis le mélange réactionnel a été refroidi à température ambiante. Le résidu solide a été lavé plusieurs fois avec de l'eau désionisée et séché à 80 ° C jusqu'à poids constant. L'échantillon obtenu a été recueilli pour des tests ultérieurs et la production de batteries. La capacité de charge dans le premier cycle est 134.2mAh / g et la capacité de décharge est 133.5mAh / g. La première charge et le rendement de décharge était de 99,5%. Après 40 cycles, la capacité de décharge est toujours de 132,9 mAh / g. (Zhang et al., 2014)

Cristaux de LiCoO2 récupérés par ultrasons. (Cliquez pour agrandir!)

Les cristaux de LiCoO2 utilisés avant (a) et après (b) un traitement par ultrasons à 120 ° C pendant 6h. source: Zhang et al. 2014

La lixiviation par ultrasons avec des acides organiques tels que l'acide citrique est non seulement efficace mais aussi écologique. La recherche a révélé que la lixiviation de Co et Li est plus efficace avec l'acide citrique qu'avec les acides inorganiques H2ALORS4 et HCl. Plus de 96% de Co et presque 100% de Li ont été récupérés à partir de batteries lithium-ion usagées. Le fait que les acides organiques tels que l'acide citrique et l'acide acétique soient peu coûteux et biodégradables, contribue à d'autres avantages économiques et environnementaux de la sonication.

Ultrasons industriels de haute puissance

UIP4000hdT - Hielscher's 4kW high-performance ultrasonic system Hielscher Ultrasonics est votre fournisseur de longue date pour les systèmes à ultrasons hautement efficaces et fiables, qui fournissent la puissance nécessaire pour lixivier les métaux des déchets. Afin de retraiter les batteries li-ion en extrayant des métaux tels que le cobalt, le lithium, le nickel et le manganèse, des systèmes ultrasoniques puissants et robustes sont essentiels. Hielscher Ultrasonics’ unités industrielles telles que UIP4000hdT (4 kW), UIP10000 (10 kW) et UIP16000 (16 kW) sont les systèmes d'échographie haute performance les plus puissants et les plus robustes du marché. Toutes nos unités industrielles peuvent fonctionner en continu avec des amplitudes très élevées allant jusqu'à 200μm en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. La robustesse de l'équipement à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24h / 24 et 7j / 7 dans les environnements difficiles et exigeants. Hielscher fournit des sonotrodes et des réacteurs spéciaux pour les hautes températures, les pressions et les liquides corrosifs. Cela rend nos ultrasonateurs industriels les plus appropriés pour les techniques de métallurgie extractive, par exemple les traitements hydrométallurgiques.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:

lot Volume Débit Appareils recommandés
0.1 20L 00,2 à 4L / min UIP2000hdT
10 à 100l 2 à 10 L / min UIP4000
n / a. 10 à 100 litres / min UIP16000
n / a. plus grand groupe de UIP16000

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Littérature / Références

  • Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): Récupération du lithium et du cobalt à partir de batteries lithium-ion usagées utilisant des acides organiques: optimisation des processus et aspects cinétiques. Waste Management 64, 2017. 244-254.
  • Shin S.-M .; Lee D.-W .; Wang J.-P. (2018): Fabrication de poudre nanométrique de nickel à partir de LiNiO2 de la batterie au lithium-ion usée. Métaux 8, 2018.
  • Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Rénovation hydrothermale assistée par ultrasons de LiCoO2 de la cathode des piles au lithium-ion usées. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
  • Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Récupération du matériau d'oxyde de cobalt au lithium à partir de la cathode des batteries au lithium-ion usées. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.


Qu'il faut savoir

Batteries lithium-ion

Les accumulateurs au lithium-ion (LIB) sont le terme générique pour les batteries (rechargeables) qui offrent une densité énergétique élevée et sont fréquemment intégrées dans l'électronique grand public telles que les voitures électroniques, hybrides, portables, téléphones portables, iPods, etc. D'autres variantes de batteries rechargeables de taille et de capacité similaires, les LIB sont nettement plus légères.
Contrairement à la batterie primaire au lithium jetable, un LIB utilise un composé de lithium intercalé à la place du lithium métallique comme électrode. Les principaux constituants d'une batterie lithium-ion sont ses électrodes – anode et cathode – et l'électrolyte.
La plupart des cellules partagent des composants communs en ce qui concerne l'électrolyte, le séparateur, les feuilles et l'enveloppe. La principale différence entre les technologies cellulaires est le matériau utilisé comme “matériaux actifs” comme la cathode et l'anode. Le graphite est le matériau le plus fréquemment utilisé en tant qu'anode, tandis que la cathode est constituée de couches de LiMO2 (M = Mn, Co et Ni), spinelle LiMn2la4ou olivine LiFePO4. Les électrolytes liquides organiques électrolytes (par exemple, le sel LiPF6 dissous dans un mélange de solvants organiques, tels que le carbonate d'éthylène (EC), le carbonate de diméthyle (DMC), le carbonate de diéthyle (DEC), le carbonate de méthyle éthyle (EMC), etc. mouvement ionique.
En fonction des matériaux d'électrode positive (cathode) et négative (anode), la densité d'énergie et la tension de LIBs varient respectivement.
Lorsqu'il est utilisé dans des véhicules électriques, on utilise souvent une batterie de véhicule électrique (EVB) ou une batterie de traction. De telles batteries de traction sont utilisées dans des chariots élévateurs à fourche, des voiturettes de golf électriques, des laveurs de sol, des motocyclettes électriques, des voitures électriques, des camions, des camionnettes et d'autres véhicules électriques.

Recyclage de métaux à partir de batteries au lithium-ion usées

Par rapport aux autres types de batteries contenant souvent du plomb ou du cadmium, les batteries Li-ion contiennent moins de métaux toxiques et sont donc considérées comme respectueuses de l'environnement. Cependant, la grande quantité de batteries Li-ion usagées, qui devront être éliminées en tant que batteries usagées des voitures électriques, pose un problème de déchets. Par conséquent, une boucle fermée de recyclage des batteries Li-ion est nécessaire. D'un point de vue économique, des éléments métalliques tels que le fer, le cuivre, le nickel, le cobalt et le lithium peuvent être récupérés et réutilisés dans la production de nouvelles batteries. Le recyclage pourrait aussi prévenir une pénurie future.
Bien que des batteries avec des charges de nickel plus élevées arrivent sur le marché, il n'est pas possible de produire des batteries sans cobalt. La teneur en nickel plus élevée a un coût: avec une teneur en nickel accrue, la stabilité de la batterie est diminuée et ainsi sa durée de vie et sa capacité de charge rapide sont réduites.

Demande croissante de batteries Li-ion. Source: Deutsche Bank

La demande croissante de batteries Li-ion demande une augmentation des capacités de recyclage des batteries usagées.

Processus de recyclage

Les batteries de véhicules électriques tels que le Tesla Roadster ont une durée de vie approximative de 10 ans.
Le recyclage des batteries Li-ion épuisées est un processus exigeant car des produits chimiques à haute tension et dangereux sont impliqués, ce qui entraîne des risques d'emballement thermique, de choc électrique et d'émission de substances dangereuses.
Afin d'établir un recyclage en boucle fermée, chaque liaison chimique et tous les éléments doivent être séparés en leurs fractions individuelles. Cependant, l'énergie requise pour un tel recyclage en boucle fermée est très chère. Les matériaux les plus précieux pour la récupération sont les métaux tels que Ni, Co, Cu, Li, etc., car l'extraction minière coûteuse et les prix élevés du marché des composants métalliques rendent le recyclage économiquement attrayant.
Le processus de recyclage des batteries Li-ion commence par le démontage et la décharge des batteries. Avant d'ouvrir la batterie, une passivation est nécessaire pour désactiver les produits chimiques dans la batterie. La passivation peut être réalisée par congélation cryogénique ou oxydation contrôlée. Selon la taille de la batterie, les batteries peuvent être démontées et démontées jusqu'à la cellule. Après le démontage et le broyage, les composants sont isolés par plusieurs méthodes (criblage, tamisage, picking manuel, séparation magnétique, humide et balistique) afin d'éliminer les enveloppes de cellules, l'aluminium, le cuivre et les plastiques de la poudre d'électrode. La séparation des matériaux d'électrode est nécessaire pour les processus en aval, par exemple un traitement hydrométallurgique.
Pyrolyse
Pour le traitement pyrolytique, les batteries déchiquetées sont fondues dans un four où du calcaire est ajouté en tant qu'agent formant des scories.

Processus hydrothermaux
Le traitement hydrométallurgique est basé sur des réactions acides afin de précipiter les sels sous forme de métaux. Les procédés hydrométallurgiques typiques comprennent la lixiviation, la précipitation, l'échange d'ions, l'extraction par solvant et l'électrolyse de solutions aqueuses.
L'avantage du traitement hydrothermal est le rendement de récupération élevé de + 95% de Ni et Co en tant que sels, + 90% de Li peuvent être précipités, et le reste peut être récupéré jusqu'à + 80%.

En particulier, le cobalt est un composant essentiel des cathodes de batterie au lithium-ion pour les applications à haute énergie et énergie.
Les voitures hybrides actuelles telles que la Toyota Prius utilisent des batteries au nickel-métal-hydrure qui sont démontées, déchargées et recyclées de la même manière que les batteries Li-ion.

Hielscher Ultrasonics fabrique des ultra-magnétiseurs de haute performance.

Sonication puissante du laboratoire et du laboratoire à la production industrielle.