Ultrasuoni per il riciclo delle batterie agli ioni di litio

• Le batterie agli ioni di litio utilizzate nelle auto elettriche sono appena arrivate sul mercato di massa e con esse devono essere sviluppate le capacità di riciclaggio.
• La lisciviazione a ultrasuoni è una tecnica efficiente e rispettosa dell'ambiente per recuperare metalli come Li, Mg, Co, Ni ecc. dalle batterie agli ioni di litio esauste.
• I sistemi industriali a ultrasuoni Hielscher per applicazioni di lisciviazione sono affidabili e robusti e possono essere facilmente integrati negli impianti di riciclaggio esistenti.

Riciclaggio delle batterie agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate nei veicoli elettrici (EV), nei computer portatili e nei telefoni cellulari. Ciò significa che le batterie agli ioni di litio esauste rappresentano una sfida attuale per la gestione e il riciclaggio dei rifiuti. Le batterie sono uno dei principali fattori di costo per i veicoli elettrici e anche il loro smaltimento è costoso. Gli aspetti ambientali ed economici spingono per un ciclo di riciclaggio chiuso, poiché i rifiuti delle batterie contengono materiali preziosi e contribuiscono a ridurre l'impronta di carbonio della produzione di batterie agli ioni di litio.
Il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio sta diventando un settore industriale fiorente per garantire la disponibilità futura di metalli di terre rare e di altri componenti delle batterie e per ridurre i costi ambientali dell'estrazione.

Riciclaggio pirometallurgico e idrometallurgico vs. riciclaggio di batterie a ultrasuoni

Di seguito, confrontiamo i metodi convenzionali dei processi pirometallurgici e idrometallurgici con la tecnica di lisciviazione a ultrasuoni per quanto riguarda vantaggi e svantaggi.

Gli svantaggi del riciclaggio convenzionale delle batterie

I metodi tradizionali utilizzati per il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio comprendono i processi pirometallurgici e idrometallurgici.
 
Metodi pirometallurgici prevedono processi ad alta temperatura come la fusione o l'incenerimento. Le batterie sono sottoposte a un calore estremo che provoca la combustione dei componenti organici, mentre i componenti metallici rimanenti vengono fusi e separati. Tuttavia, questi metodi presentano alcuni svantaggi:

• Impatto ambientale: I processi pirometallurgici rilasciano emissioni nocive e inquinanti nell'atmosfera, contribuendo all'inquinamento atmosferico e causando potenziali rischi per la salute.
• Perdita di materiali: I processi ad alta temperatura possono comportare la perdita di materiali e metalli preziosi a causa della degradazione termica, riducendo il tasso di recupero complessivo.
• Intenso di energia: Questi metodi richiedono in genere un apporto energetico significativo, che aumenta i costi operativi e l'impronta ambientale.

 
Metodi idrometallurgici prevedono la lisciviazione chimica per sciogliere i componenti della batteria ed estrarre i metalli preziosi. Pur essendo più rispettosa dell'ambiente rispetto ai metodi pirometallurgici, l'idrometallurgia ha i suoi svantaggi:

• Uso chimico: Per la lisciviazione sono necessari acidi forti o altre sostanze chimiche corrosive, il che solleva preoccupazioni per la manipolazione delle sostanze chimiche, la gestione dei rifiuti e la potenziale contaminazione ambientale.
• Sfide di selettività: Ottenere una lisciviazione selettiva dei metalli desiderati può essere difficile, con conseguente riduzione dei tassi di recupero e potenziale perdita di risorse preziose.

 

Vantaggi della lisciviazione a ultrasuoni delle batterie rispetto alle tecniche convenzionali

Rispetto a entrambe le tecniche di riciclaggio, pirometallurgica e idrometallurgica, la tecnica di riciclaggio delle batterie a ultrasuoni si impone per diversi vantaggi:

1. Efficienza migliorata: La sonicazione a ultrasuoni può accelerare la disgregazione dei materiali delle batterie, riducendo i tempi di lavorazione e aumentando l'efficienza complessiva.
2. Miglioramento dei tassi di recupero: L'applicazione controllata della cavitazione a ultrasuoni migliora la rottura dei componenti della batteria, aumentando i tassi di recupero dei metalli preziosi.
3. Rispettoso dell'ambiente: Il riciclaggio a ultrasuoni riduce l'uso di alte temperature e di sostanze chimiche aggressive, minimizzando l'impatto ambientale e riducendo le emissioni di sostanze inquinanti.
4. Lisciviazione selettiva: L'applicazione controllata degli ultrasuoni consente di distruggere in modo mirato componenti specifici della batteria, separandoli in modo efficiente. Poiché i diversi composti riciclabili della batteria vengono rimossi e disciolti a specifiche intensità di ultrasuoni, i parametri di lavorazione ottimizzati consentono una lisciviazione selettiva dei singoli materiali. Ciò facilita la separazione efficiente di metalli e materiali preziosi.
5. Riduzione del consumo energetico: Rispetto a entrambi i metodi, quello idrometallurgico e soprattutto quello pirometallurgico, il riciclaggio a ultrasuoni è generalmente più efficiente dal punto di vista energetico, con conseguenti minori costi operativi e una ridotta impronta di carbonio.
6. Scalabilità e flessibilità: I sistemi a ultrasuoni possono essere facilmente scalati per adattarsi a batterie di diverse dimensioni e capacità produttive. Inoltre, gli ultrasonici per il riciclaggio delle batterie possono essere facilmente integrati in impianti di riciclaggio già esistenti. Prontamente disponibili con diverse scale di potenza e accessori abbinati, come sonde a ultrasuoni e reattori a celle di flusso, gli ultrasonici possono gestire componenti di batterie di varie dimensioni e capacità produttive, offrendo scalabilità e adattabilità ai processi di riciclaggio.
7. Integrazione sinergica: La lisciviazione a ultrasuoni può essere integrata nelle linee di riciclaggio idrometallurgico delle batterie esistenti per intensificare e migliorare la lisciviazione idrometallurgica di metalli e materiali preziosi dalle batterie agli ioni di litio esauste.

Nel complesso, il riciclaggio delle batterie a ultrasuoni si rivela un metodo più ecologico, efficiente e selettivo rispetto ai tradizionali approcci pirometallurgici e idrometallurgici.

 

Lisciviazione industriale a ultrasuoni per il recupero dei metalli dalle batterie esauste

La lisciviazione a ultrasuoni e l'estrazione dei metalli possono essere applicate ai processi di riciclaggio di batterie all'ossido di litio e cobalto (ad esempio, da computer portatili, smartphone, ecc.) e di batterie complesse al litio-nichel-manganese-cobalto (ad esempio, da veicoli elettrici).
Gli ultrasuoni ad alta potenza sono noti per la loro capacità di trattare liquidi e impasti chimici al fine di migliorare il trasferimento di massa e avviare reazioni chimiche.
Gli intensi effetti degli ultrasuoni di potenza si basano sul fenomeno della cavitazione acustica. Accoppiando gli ultrasuoni ad alta potenza a liquidi e fanghi, le onde alternate di bassa e alta pressione nei liquidi generano piccole bolle di vuoto. I piccoli vuoti crescono nel corso di vari cicli di bassa pressione/alta pressione fino a implodere violentemente. Le bolle di vuoto che collassano possono essere considerate come microreattori in cui temperature fino a 5000K, pressioni fino a 1000atm e velocità di riscaldamento e raffreddamento superiori al 10^-10 si verificano. Inoltre, si generano forti forze di taglio idrodinamiche e getti di liquido con velocità fino a 280 m/s. Queste condizioni estreme di cavitazione acustica creano condizioni fisiche e chimiche straordinarie in liquidi altrimenti freddi e creano un ambiente favorevole alle reazioni chimiche (i cosiddetti sicochimica).

La cavitazione generata dagli ultrasuoni può indurre la termolisi dei soluti e la formazione di radicali e reagenti altamente reattivi, come radicali liberi, ioni idrossido (-OH,) idronio (H₃O+) ecc. che creano condizioni reattive straordinarie nel liquido in modo da aumentare significativamente la velocità di reazione. I solidi, come le particelle, sono accelerati dai getti di liquido e vengono macinati per collisione e abrasione interparticellare, aumentando la superficie attiva e quindi il trasferimento di massa.
Il grande vantaggio della lisciviazione a ultrasuoni e del recupero dei metalli è il controllo preciso dei parametri di processo, come ampiezza, pressione e temperatura. Questi parametri consentono di adattare le condizioni di reazione esattamente al mezzo di processo e al risultato desiderato. Inoltre, la lisciviazione a ultrasuoni rimuove anche le particelle metalliche più piccole dal substrato, preservando le microstrutture. Il miglioramento del recupero dei metalli è dovuto alla creazione di superfici altamente reattive con gli ultrasuoni, all'aumento della velocità di reazione e al miglioramento del trasporto di massa. I processi di sonicazione possono essere ottimizzati influenzando ogni parametro e sono quindi non solo molto efficaci ma anche altamente efficienti dal punto di vista energetico.
L'esatto controllo dei parametri e l'efficienza energetica fanno della lisciviazione a ultrasuoni una tecnica favorevole ed eccellente. – soprattutto se paragonato alle complicate tecniche di lisciviazione acida e di chelazione.

Recupero a ultrasuoni di LiCoO₂ da batterie agli ioni di litio esauste

L'ultrasonicazione assiste la lisciviazione riduttiva e la precipitazione chimica, che vengono utilizzate per recuperare il Li come Li₂CO₃ e Co come Co(OH)₂ dai rifiuti delle batterie agli ioni di litio.
Zhang et al. (2014) riportano il successo del recupero di LiCoO₂ utilizzando un reattore a ultrasuoni. per preparare la soluzione di partenza di 600mL, hanno posto 10g di LiCoO non valido₂ polvere in un becher e aggiungere 2,0mol/L di soluzione di LiOH, che sono stati mescolati.
La miscela è stata versata nell'irraggiamento a ultrasuoni e il dispositivo di agitazione è stato avviato; il dispositivo di agitazione è stato collocato all'interno del contenitore di reazione. La miscela è stata riscaldata a 120◦C e poi il Dispositivo a ultrasuoni è stata impostata a 800 W e la modalità di azione degli ultrasuoni è stata impostata su cicli di lavoro pulsati di 5 sec. ON / 2sec. OFF. L'irradiazione ultrasonica è stata applicata per 6 ore, quindi la miscela di reazione si è raffreddata a temperatura ambiente. Il residuo solido è stato lavato più volte con acqua deionizzata ed essiccato a 80◦C fino a peso costante. Il campione ottenuto è stato raccolto per i successivi test e la produzione della batteria. La capacità di carica nel primo ciclo è di 134,2 mAh/g e la capacità di scarica è di 133,5 mAh/g. L'efficienza di carica e scarica al primo ciclo è stata del 99,5%. Dopo 40 cicli, la capacità di scarica è ancora di 132,9 mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
La lisciviazione a ultrasuoni con acidi organici come l'acido citrico non è solo efficace ma anche ecologica. La ricerca ha rilevato che la lisciviazione di Co e Li è più efficiente con l'acido citrico che con gli acidi inorganici H2SO4 e HCl. Oltre il 96% di Co e quasi il 100% di Li sono stati recuperati dalle batterie agli ioni di litio esauste. Il fatto che gli acidi organici come l'acido citrico e l'acido acetico siano poco costosi e biodegradabili, contribuisce ad aumentare i vantaggi economici e ambientali della sonicazione.

Ultrasuoni industriali ad alta potenza per la lisciviazione dei metalli dalle batterie esauste

Hielscher Ultrasonics è il vostro fornitore di lunga esperienza per sistemi a ultrasuoni altamente efficienti e affidabili, che forniscono la potenza necessaria per la lisciviazione dei metalli dai materiali di scarto. Per riprocessare le batterie agli ioni di litio estraendo metalli come cobalto, litio, nichel e manganese, sono essenziali sistemi a ultrasuoni potenti e robusti. Le unità industriali di Hielscher Ultrasonics, come la UIP4000hdT (4kW), la UIP6000hdT (6kW), la UIP10000 (10kW) e la UIP16000 (16kW) sono i sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni più potenti e robusti del mercato. Tutte le nostre unità industriali possono funzionare ininterrottamente con ampiezze molto elevate, fino a 200 µm, con un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili. Hielscher fornisce sonotrodi e reattori speciali anche per alte temperature, pressioni e liquidi corrosivi. Ciò rende i nostri ultrasuoni industriali particolarmente adatti alle tecniche di metallurgia estrattiva, ad esempio ai trattamenti idrometallurgici.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:

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Letteratura/riferimenti

• 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.