Les ultrasons rendent le recyclage des batteries lithium-ion plus efficace

Le lithium est un matériau rare et de grande valeur présent dans les batteries haute performance, telles que les batteries Li-ion. Le lithium est le matériau le plus précieux récupéré lors du recyclage des batteries Li-ion, mais d’autres minéraux et métaux comme le cobalt, le manganèse, le nickel, le cuivre et l’aluminium sont également des métaux intéressants à récupérer. L’ultrasonication haute intensité est utilisée comme technique d’agitation à fort cisaillement et de lixiviation pour extraire, éliminer et dissoudre les minéraux et métaux de valeur contenus dans les batteries usagées. La méthode de sonication est très efficace, économe en énergie et immédiatement disponible pour une installation dans des usines de recyclage à pleine échelle commerciale.

Aperçu : le processus de recyclage des batteries Li-ion

Le processus de recyclage des métaux précieux et des matériaux issus des batteries Li-ion usagées comporte généralement plusieurs étapes. En voici un aperçu général :

1. Collecte et tri : Les batteries Li-ion usagées sont collectées et triées selon leur type et leur chimie.
2. Démontage : Tout d’abord, le boîtier en plastique de la batterie est brisé et retiré. Ensuite, la batterie mise à nu est placée dans de l’azote liquide afin de neutraliser les substances réactives et explosives. Cette étape garantit qu’une libération soudaine de toute l’énergie stockée, ainsi que l’inflammation et l’explosion qui en découlent, sont évitées. Les batteries sont ensuite démontées afin de séparer les différents composants, tels que la cathode, l’anode, l’électrolyte et le boîtier.
3. Broyage : Les batteries démontées sont broyées en morceaux plus petits afin d’augmenter la surface disponible pour les procédés ultérieurs.
4. Délamination des électrodes : Avant le traitement d’extraction des métaux, les électrodes isolées, c’est-à-dire la cathode et l’anode, doivent être davantage démontées. Le matériau cathodique étant généralement fixé à la feuille d’aluminium par un liant, couramment du polyfluorure de vinylidène (PVDF) ou du polytétrafluoroéthylène (PTFE), séparer la cathode et la feuille d’aluminium l’une de l’autre est une tâche difficile.
5. Traitement chimique : Les composants de batterie broyés subissent divers traitements chimiques afin de dissoudre et de séparer les différents matériaux. Cela peut impliquer une lixiviation à l’acide ou à l’aide d’autres solvants pour extraire des métaux de valeur comme le lithium, le cobalt, le nickel et le cuivre.
6. Récupération et purification : Les métaux dissous sont ensuite récupérés de la solution par des procédés tels que la précipitation, l’extraction par solvant ou des méthodes électrochimiques. Ces étapes contribuent à purifier et à concentrer les métaux précieux.

Récupération des métaux précieux améliorée par sonication

Les ultrasons de puissance peuvent améliorer les étapes de délamination des électrodes et de lixiviation des métaux précieux et des matériaux en intensifiant les réactions, rendant ainsi le processus de récupération nettement plus efficace. L’ultrasonication est une technique qui utilise des ondes ultrasonores de haute intensité pour générer des vibrations mécaniques et une cavitation acoustique dans un milieu liquide. Les forces intenses de l’ultrasonication sont utilisées pour améliorer de plusieurs manières le processus de recyclage des métaux précieux issus des batteries Li-ion usagées :

1. Désintégration : L’ultrasonication fragmente les matériaux de batterie broyés afin de produire des particules plus petites. Les particules plus petites offrent une surface plus importante, ce qui rend la lixiviation chimique plus efficace et facilite la libération des métaux de valeur.
2. Lixiviation améliorée : L’application de l’ultrasonication pendant les procédés de lixiviation peut améliorer le contact entre la matière solide et la solution de lixiviation, augmentant ainsi l’efficacité de l’extraction des métaux. La lixiviation par ultrasons favorise l’extraction des métaux et augmente le rendement de récupération des métaux et minéraux tels que le cobalt, le manganèse, le nickel, le cuivre et l’aluminium.
3. Délamination des électrodes améliorée : Lors du recyclage des batteries, la délamination des électrodes a pour objectif de séparer les différents composants, tels que les électrodes, les électrolytes et les séparateurs, afin qu’ils puissent être traités ultérieurement ou recyclés individuellement. L’ultrasonication facilite le détachement et l’élimination des revêtements de l’électrode. Les forces sonomécaniques favorisent la séparation efficace des couches des électrodes.
4. Réactions accélérées : L’ultrasonication favorise un mélange plus rapide et plus complet, ce qui peut accélérer les réactions chimiques lors des étapes de récupération et de purification des métaux.
5. Consommation d’énergie réduite : L’ultrasonication peut améliorer l’efficacité du procédé, en réduisant le temps et l’énergie nécessaires à la récupération des métaux à partir des batteries usagées.

L’ultrasonication peut jouer un rôle bénéfique dans l’amélioration du processus de recyclage des métaux précieux et des matériaux issus des batteries Li-ion usagées, en augmentant l’efficacité et le rendement des différentes étapes du processus de recyclage.
Les étapes de lixiviation des métaux et de délamination des électrodes par ultrasons peuvent être adaptées à chaque processus de recyclage, ces processus pouvant varier à mesure que les entreprises spécialisées dans le recyclage des batteries Li-ion développent et modifient leurs procédés en vue d’une efficacité maximale.

Cavitation ultrasonore pour la séparation des cathodes

L’ultrasonication sépare les matériaux cathodiques de la feuille d’aluminium grâce aux effets de la cavitation acoustique. La cavitation acoustique ou ultrasonore se caractérise par des pressions et des températures élevées apparaissant localement, puis par leurs chutes, qui entraînent des différentiels de pression et de température correspondants, ainsi que d’intenses micro-turbulences et des micro-jets à fort cisaillement. Ces forces de cavitation agissent sur les interfaces de surface, favorisent le transfert de masse et provoquent une érosion. En générant des forces aussi intenses de nature chimique, physique, thermique et mécanique, la cavitation ultrasonore crée l’agitation et le transfert de masse nécessaires pour rompre la structure du liant organique utilisé dans les batteries lithium-ion pour fixer la cathode au collecteur / à la feuille d’aluminium.
Alors qu’une agitation mécanique telle que le seul brassage est insuffisante pour détacher efficacement le matériau cathodique de la feuille d’aluminium, l’ultrasonication haute intensité fournit l’énergie sonochimique et sonomécanique nécessaire pour retirer complètement le matériau cathodique des collecteurs. Contrairement au brassage mécanique, la cavitation ultrasonore génère d’intenses turbulences, des températures et pressions localement élevées, ainsi qu’une agitation, des courants et des jets de liquide, qui rompent le liant, par ex. le PVDF ou le PTFE, reliant la cathode à la feuille d’Al, et érodent la surface des deux, cathode et feuille d’Al. Le liant entre les deux matériaux est ainsi correctement détruit et la cathode et la feuille d’aluminium sont efficacement séparées.
Par exemple, la séparation par ultrasons permet d’obtenir une efficacité élevée d’élimination de la cathode de 99% en utilisant la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) comme solvant à 70°C (puissance ultrasonore de 240 W et durée de traitement par ultrasons de 90 min). La séparation des cathodes par ultrasons dispersant le matériau de manière homogène et empêchant la formation d’agglomérats plus grands, le procédé de lixiviation des métaux qui suit s’en trouve facilité.
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Lixiviation des minéraux par ultrasons

Les effets de cavitation ultrasonore décrits ci-dessus favorisent également la lixiviation des métaux à partir des batteries usagées. L’ultrasonication haute intensité n’est pas seulement utilisée pour récupérer des minéraux lors du recyclage des batteries, mais aussi souvent en hydrométallurgie et pour la lixiviation de minerais précieux (par ex. résidus miniers). Les températures, pressions et forces de cisaillement localement élevées intensifient la lixiviation des métaux et augmentent considérablement l’efficacité de lixiviation. Alors que des températures localisées très extrêmes allant jusqu’à 1000 K apparaissent dans les points chauds de cavitation, les conditions globales de lixiviation ne nécessitent qu’une température modérée d’env. 50–60°C. Cela rend la récupération des métaux par ultrasons économe en énergie et économique.
La lixiviation par ultrasons des minéraux issus des batteries Li-ion usagées se caractérise par des taux de récupération et une efficacité élevés. Par exemple, l’acide sulfurique (H2SO4) a été utilisé avec succès comme agent de lixiviation en présence de peroxyde d’hydrogène (H2O2) lors de la récupération par ultrasons des minéraux de la cathode. La lixiviation par ultrasons à l’acide sulfurique a permis d’obtenir des taux de récupération de 94,63% pour le cobalt et de 98,62% pour le lithium, respectivement.
La lixiviation par ultrasons à l’acide citrique organique (C6H8O7·H2O) donne des taux de récupération très élevés pour le cuivre et le lithium, permettant d’obtenir 96% du cuivre et près de 100% du lithium des batteries Li-ion usagées.

Simple et sûr : mise à l’échelle des ultrasons, des tests de faisabilité au recyclage industriel

Les équipements à ultrasons haute performance pour le recyclage des batteries Li-ion sont immédiatement disponibles pour une installation de paillasse, pilote et industrielle. La séparation des cathodes par ultrasons et la lixiviation par ultrasons des minéraux issus de batteries usagées étant déjà des procédés établis, le passage des premiers essais à l’optimisation selon les exigences spécifiques de votre procédé, puis à l’installation d’un système de séparation et/ou de lixiviation par ultrasons entièrement industriel, est rapide et simple.
En savoir plus sur les avantages de la lixiviation par ultrasons pour un recyclage durable des batteries et l’exploitation minière urbaine !

Ultrasonicateurs haute performance pour le recyclage des batteries

Hielscher Ultrasonics fournit des ultrasonicateurs haute performance de toutes tailles et capacités. Avec l’UIP16000 (16kW), Hielscher fabrique le processeur à ultrasons le plus puissant au monde. L’UIP16000, comme tous les autres systèmes à ultrasons industriels, peut facilement être regroupé en cluster pour atteindre la capacité de traitement requise. Tous les ultrasonicateurs Hielscher sont conçus pour un fonctionnement 24/7 à pleine charge et dans des environnements exigeants.
Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles.

Sondes à ultrasons et sono-réacteurs pour tous les volumes

La gamme de produits de Hielscher Ultrasonics couvre tout le spectre des processeurs à ultrasons, des ultrasonicateurs de laboratoire compacts aux processeurs à ultrasons entièrement industriels capables de traiter des camions entiers par heure, en passant par les systèmes de paillasse et pilotes. Cette gamme complète nous permet de vous proposer l’équipement à ultrasons le mieux adapté à votre application, à votre capacité de traitement et à vos objectifs de production.

Amplitudes contrôlables avec précision pour des résultats optimaux

Tous les processeurs à ultrasons Hielscher sont contrôlables avec précision et constituent ainsi des bêtes de somme fiables en R&D et en production. L’amplitude est l’un des paramètres de procédé déterminants qui influencent l’efficacité et le rendement des réactions induites par voie sonochimique et sonomécanique. Tous les processeurs de Hielscher Ultrasonics permettent un réglage précis de l’amplitude. Les sonotrodes et les cornes booster sont des accessoires qui permettent de modifier l’amplitude dans une plage encore plus large. Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher peuvent fournir des amplitudes très élevées et délivrer l’intensité ultrasonore requise pour des applications exigeantes. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7.
Des réglages précis de l’amplitude et la surveillance permanente des paramètres du procédé ultrasonore grâce à un logiciel intelligent vous permettent de séparer la cathode de la feuille d’aluminium ainsi que de lixivier les minéraux et métaux des batteries Li-ion usagées dans les conditions ultrasonores les plus efficaces. Une sonication optimale pour un recyclage des batteries Li-ion des plus efficaces !
La robustesse des ultrasonicateurs Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants. Les sonicateurs Hielscher sont ainsi un outil de travail fiable qui répond aux exigences de votre procédé de recyclage.

Qualité supérieure – conçu et fabriqué en Allemagne

En tant qu’entreprise familiale, détenue et dirigée par la famille, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les ultrasonicateurs sont conçus, fabriqués et rigoureusement testés dans notre siège à Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons de Hielscher en font une bête de somme dans votre production. Le fonctionnement 24/7 à pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des sondes et réacteurs à ultrasons haute performance de Hielscher.

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

Bon à savoir

Que sont les batteries lithium-ion ?

Une batterie lithium-ion, également appelée batterie Li-ion, est un type de batterie rechargeable. Par rapport aux batteries au plomb et à base de nickel, les dispositifs lithium-ion utilisent une cathode, une anode et un électrolyte comme conducteur.
Comme toutes les batteries, les batteries Li-ion stockent de l’énergie chimique, qui est ensuite convertie en énergie électrique afin de fournir une charge électrique statique pour l’alimentation.
Les batteries lithium-ion sont couramment utilisées pour l’électronique portable comme les ordinateurs portables et les smartphones, ainsi que pour les véhicules électriques. L’utilisation des batteries Li-ion suscite également un intérêt croissant de la part de l’armée et des entreprises aérospatiales.