Les ultrasons améliorent l'efficacité du recyclage des piles au lithium-ion

Le lithium est un matériau rare et très précieux présent dans les batteries à 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 tels que le cobalt, le manganèse, le nickel, le cuivre et l'aluminium sont également des métaux précieux à récupérer. Les ultrasons à haute intensité sont utilisés comme technique d'agitation et de lixiviation à cisaillement élevé pour extraire, retirer et dissoudre les minéraux et métaux précieux des batteries usagées. La méthode de sonication est très efficace, économe en énergie et facilement disponible pour être installée dans des installations de recyclage entièrement commerciales.

Vue d'ensemble : Processus de recyclage des batteries Li-Ion

Le processus de recyclage des métaux et matériaux précieux contenus dans les 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 en fonction de leur type et de leur composition chimique.
2. Démontage: La batterie nue est ensuite placée dans de l'azote liquide afin de neutraliser les substances réactives et explosives. Cette étape permet d'éviter la libération soudaine de toute l'énergie stockée, ainsi que l'inflammation et l'explosion qui en découlent. Ensuite, les batteries sont démontées pour séparer les différents composants, tels que la cathode, l'anode, l'électrolyte et le boîtier.
3. Déchiquetage : Les batteries démontées sont déchiquetées en petits morceaux afin d'augmenter la surface pour les processus ultérieurs.
4. Délamination de l'électrode : Avant le traitement d'extraction des métaux, les électrodes isolées, c'est-à-dire la cathode et l'anode, doivent être démontées. Étant donné que le matériau de la cathode est généralement collé à la feuille d'aluminium par un liant, généralement du fluorure de polyvinylidène (PVDF) ou du polytétrafluoroéthylène (PTFE), il est difficile d'enlever la cathode et la feuille d'aluminium l'une de l'autre.
5. Traitement chimique : Les composants déchiquetés de la batterie subissent divers traitements chimiques pour dissoudre et séparer les différents matériaux. Il peut s'agir d'une lixiviation avec de l'acide ou d'autres solvants pour extraire les métaux précieux 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 permettent de purifier et de concentrer les métaux précieux.

Récupération des métaux précieux améliorée par la sonication

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

1. Désintégration : Les ultrasons décomposent les matériaux déchiquetés de la batterie pour créer des particules plus petites. Les particules plus petites offrent une surface plus importante qui rend la lixiviation chimique plus efficace, ce qui favorise la libération des métaux précieux.
2. Amélioration de la lixiviation : L'application d'ultrasons pendant les processus de lixiviation peut améliorer le contact entre le matériau 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 des métaux et minéraux récupérés tels que le cobalt, le manganèse, le nickel, le cuivre et l'aluminium.
3. Amélioration de la délamination des électrodes : L'objectif du décollement des électrodes lors du recyclage des batteries est de séparer les différents composants, tels que les électrodes, les électrolytes et les séparateurs, afin qu'ils puissent être traités ou recyclés individuellement. Les ultrasons facilitent le détachement et l'élimination des revêtements de l'électrode. Les forces sonomécaniques favorisent la séparation efficace des couches des électrodes.
4. Réactions accélérées : Les ultrasons favorisent un mélange plus rapide et plus complet, ce qui peut accélérer les réactions chimiques pendant les étapes de récupération et de purification des métaux.
5. Réduction de la consommation d'énergie : L'ultrasonication peut améliorer l'efficacité du processus, en réduisant le temps et l'énergie nécessaires à la récupération des métaux dans les piles usagées.

 
Les ultrasons peuvent jouer un rôle bénéfique dans l'amélioration du processus de recyclage des métaux et matériaux précieux contenus dans les batteries Li-ion usagées en augmentant l'efficacité et l'efficience des différentes étapes du processus de recyclage.
Les étapes du processus de lixiviation des métaux par ultrasons et de délamination des électrodes peuvent être adaptées aux processus de recyclage individuels, qui peuvent varier au fur et à mesure que les entreprises spécialisées dans le recyclage des batteries Li-ion développent et modifient leurs processus en vue d'une efficacité maximale.

Cavitation ultrasonique pour la séparation des cathodes

Les ultrasons séparent les matériaux cathodiques des feuilles d'aluminium grâce aux effets de la cavitation acoustique. La cavitation acoustique ou ultrasonique est déterminée par des pressions et des températures élevées qui se produisent localement et par leurs baisses ultérieures, ce qui entraîne des différentiels de pression et de température respectifs ainsi que des micro-turbulences intenses et des micro-jets à cisaillement élevé. Ces forces de cavitation affectent les limites de la surface, favorisent le transfert de masse et provoquent l'érosion. En générant de telles forces intenses de nature chimique, physique, thermique et mécanique, la cavitation ultrasonique crée l'agitation et le transfert de masse nécessaires pour briser la structure du liant organique utilisé dans les batteries lithium-ion pour fixer la cathode au collecteur/feuille d'aluminium.
Alors que l'agitation mécanique, telle que le brassage, ne suffit pas à détacher efficacement le matériau cathodique de la feuille d'aluminium, les ultrasons à haute intensité fournissent l'énergie sonochimique et sonomécanique nécessaire pour retirer complètement le matériau cathodique des collecteurs. Contrairement à l'agitation mécanique, la cavitation ultrasonique génère des turbulences intenses, des températures et des pressions localement élevées, ainsi qu'une agitation, un écoulement et des jets de liquide, qui brisent le liant, par exemple le PVDF ou le PTFE, qui relie la cathode à la feuille d'aluminium, et érodent la surface de la cathode et de la feuille d'aluminium. Ainsi, le liant entre les deux matériaux est 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 de 99 % dans l'élimination des cathodes en utilisant la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) comme solvant à 70 °C (puissance ultrasonique de 240 W et durée de traitement ultrasonique de 90 minutes). La séparation ultrasonique des cathodes dispersant uniformément le matériau et empêchant la formation de gros agglomérats, le processus de lixiviation des métaux qui s'ensuit s'en trouve facilité.
En savoir plus sur le décollement des électrodes par ultrasons afin de récupérer les matériaux actifs et les feuilles des collecteurs de courant !

Lixiviation des minéraux par ultrasons

Les effets de cavitation ultrasonique décrits ci-dessus favorisent également la lixiviation des métaux contenus dans les piles usagées. L'ultrasonication à haute intensité n'est pas seulement utilisée pour récupérer les minéraux dans le recyclage des piles, elle est aussi souvent utilisée en hydrométallurgie et pour la lixiviation des minerais précieux (par exemple, les résidus miniers). Les températures, pressions et forces de cisaillement localisées élevées intensifient la lixiviation des métaux et augmentent considérablement l'efficacité de la lixiviation. Alors que dans les points chauds de la cavité se produisent des températures localisées très extrêmes pouvant atteindre 1000 K, les conditions générales de lixiviation ne requièrent qu'une température modérée d'environ 50-60°C. La récupération des métaux par ultrasons est donc efficace sur le plan énergétique et économique.
La lixiviation par ultrasons des minéraux contenus dans les 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 ultrasonique avec de 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 avec de l'acide citrique organique (C6H8O7-H2O) permet d'obtenir des taux très élevés de récupération du cuivre et du lithium, soit 96 % de cuivre et près de 100 % de lithium à partir des batteries Li-ion usagées.

Simple et sûr : La mise à l'échelle des ultrasons, des essais de faisabilité au recyclage industriel

Des équipements ultrasoniques de haute performance pour le recyclage des batteries Li-ion sont disponibles pour des installations de banc, pilotes et industrielles. La séparation des cathodes par ultrasons et la lixiviation par ultrasons des minéraux contenus dans les batteries usagées étant des procédés déjà établis, le processus, depuis les premiers essais jusqu'à l'installation d'un système industriel complet de séparation et/ou de lixiviation par ultrasons, en passant par l'optimisation en fonction de vos exigences spécifiques, est simple et rapide.

Ultrasons à haute performance pour le recyclage des batteries

Hielscher Ultrasonics fournit des appareils à ultrasons très performants, quelle que soit leur taille ou leur capacité. Avec l'UIP16000 (16 kW), Hielscher fabrique le processeur à ultrasons le plus puissant au monde. L'UIP16000 ainsi que tous les autres systèmes industriels à ultrasons peuvent être facilement adaptés à la capacité de traitement requise. Tous les appareils à ultrasons Hielscher sont conçus pour fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, à pleine charge et dans des environnements exigeants.
Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs industriels à ultrasons peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles.

Sondes ultrasoniques et sonoréacteurs pour tous les volumes

La gamme de produits de Hielscher Ultrasonics couvre tout le spectre des processeurs à ultrasons, depuis les ultrasons de laboratoire compacts jusqu'aux processeurs à ultrasons industriels capables de traiter des camions à l'heure, en passant par les systèmes de paillasse et les systèmes pilotes. La gamme complète de produits nous permet de vous proposer l'équipement ultrasonique 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 donc des outils de travail fiables dans le domaine de la recherche et du développement.&D et la production. L'amplitude est l'un des paramètres cruciaux du processus qui influencent l'efficacité des réactions induites par la sonochimie et la sonomécanique. Tous les produits Hielscher Ultrasonics’ permettent un réglage précis de l'amplitude. Les sonotrodes et les cornes d'amplification sont des accessoires qui permettent de modifier l'amplitude dans une plage encore plus large. Les processeurs ultrasoniques industriels de Hielscher peuvent délivrer des amplitudes très élevées et fournir l'intensité ultrasonique requise pour des applications exigeantes. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.
Les réglages précis de l'amplitude et le contrôle permanent des paramètres du processus ultrasonique via un logiciel intelligent vous permettent de séparer la cathode de la feuille d'aluminium et de lixivier les minéraux et les métaux des batteries Li-ion usagées dans les conditions ultrasoniques les plus efficaces. Une sonication optimale pour un recyclage plus efficace des batteries Li-ion !
La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher lui permet de fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des conditions difficiles et dans des environnements exigeants. Cela fait de l'équipement à ultrasons de Hielscher un outil de travail fiable qui répond aux exigences de votre processus de recyclage.

La plus haute qualité – Conçu et fabriqué en Allemagne

En tant qu'entreprise familiale, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les appareils à ultrasons sont conçus, fabriqués et testés minutieusement dans notre siège social de Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons de Hielscher en font des outils de travail pour votre production. Le fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 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 ultrasons :