Ultrasonics Makes Lithium-Ion Battery Recycling More Efficient

Il litio è un materiale scarso e di grande valore presente nelle batterie ad alte prestazioni, come le batterie agli ioni di litio. Il litio è il materiale più prezioso che viene recuperato nel riciclaggio delle batterie agli ioni di litio, ma anche altri minerali e metalli come cobalto, manganese, nichel, rame e alluminio sono metalli preziosi da recuperare. L'ultrasuonazione ad alta intensità viene utilizzata come tecnica di agitazione e lisciviazione ad alto coefficiente di taglio per estrarre, rimuovere e dissolvere minerali e metalli preziosi dalle batterie esauste. Il metodo di sonicazione è altamente efficace, efficiente dal punto di vista energetico e facilmente installabile in impianti di riciclaggio completamente commerciali.

Panoramica: Processo di riciclaggio delle batterie agli ioni di litio

Il processo di riciclaggio di metalli e materiali preziosi dalle batterie agli ioni di litio esaurite prevede in genere diverse fasi. Ecco una panoramica generale:

1. Raccolta e smistamento: Le batterie agli ioni di litio esauste vengono raccolte e smistate in base al tipo e alla composizione chimica.
2. smontaggio: In primo luogo, il coperchio di plastica della batteria viene rotto e rimosso. Successivamente, la batteria nuda viene messa in azoto liquido per neutralizzare le sostanze reattive ed esplosive. Questa fase consente di evitare l'improvviso rilascio di tutta l'energia immagazzinata e la conseguente accensione ed esplosione ad essa associata. Successivamente, le batterie vengono smontate per separare i diversi componenti, come il catodo, l'anodo, l'elettrolita e l'involucro.
3. Triturazione: Le batterie smontate vengono sminuzzate in pezzi più piccoli per aumentare la superficie per i processi successivi.
4. Delaminazione dell'elettrodo: Prima del trattamento di estrazione del metallo, gli elettrodi isolati, cioè catodo e anodo, devono essere ulteriormente disassemblati. Poiché il materiale del catodo è generalmente attaccato al foglio di alluminio da un legante, comunemente il fluoruro di polivinilidene (PVDF) o il politetrafluoroetilene (PTFE), è un compito difficile rimuovere il catodo e il foglio di alluminio l'uno dall'altro.
5. Trattamento chimico: I componenti della batteria triturati vengono sottoposti a vari trattamenti chimici per sciogliere e separare i diversi materiali. Ciò può comportare la lisciviazione con acido o altri solventi per estrarre metalli preziosi come litio, cobalto, nichel e rame.
6. Recupero e purificazione: I metalli disciolti vengono poi recuperati dalla soluzione attraverso processi come la precipitazione, l'estrazione con solventi o i metodi elettrochimici. Queste fasi aiutano a purificare e concentrare i metalli preziosi.

Recupero dei metalli preziosi migliorato dalla sonicazione

Gli ultrasuoni di potenza possono migliorare le fasi di delaminazione degli elettrodi e di lisciviazione dei metalli e dei materiali preziosi, intensificando le reazioni e rendendo così il processo di recupero molto più efficiente. L'ultrasuonoterapia è una tecnica che utilizza onde ultrasonore ad alta intensità per creare vibrazioni meccaniche e cavitazione acustica in un mezzo liquido. Le forti forze dell'ultrasuono sono utilizzate per migliorare il processo di riciclaggio dei metalli preziosi dalle batterie agli ioni di litio esauste in diversi modi:
 

1. Disintegrazione: Gli ultrasuoni rompono i materiali della batteria triturati in modo da creare particelle più piccole. Le particelle più piccole offrono una maggiore superficie che rende più efficace la lisciviazione chimica, favorendo la liberazione dei metalli preziosi.
2. Miglioramento della lisciviazione: L'applicazione degli ultrasuoni durante i processi di lisciviazione può migliorare il contatto tra il materiale solido e la soluzione di lisciviazione, aumentando l'efficienza dell'estrazione dei metalli. La lisciviazione a ultrasuoni favorisce l'estrazione dei metalli e aumenta la resa del recupero di metalli e minerali come cobalto, manganese, nichel, rame e alluminio.
3. Miglioramento della delaminazione degli elettrodi: L'obiettivo della delaminazione degli elettrodi durante il riciclaggio delle batterie è quello di separare i diversi componenti, come elettrodi, elettroliti e separatori, in modo che possano essere ulteriormente trattati o riciclati singolarmente. Gli ultrasuoni favoriscono il distacco e la rimozione dei rivestimenti dall'elettrodo. Le forze sonomeccaniche favoriscono la separazione efficiente degli strati degli elettrodi.
4. Reazioni accelerate: Gli ultrasuoni favoriscono una miscelazione più rapida e completa, che può accelerare le reazioni chimiche durante le fasi di recupero e purificazione dei metalli.
5. Riduzione del consumo energetico: L'ultrasonicazione può migliorare l'efficienza del processo, riducendo il tempo e l'energia necessari per il recupero dei metalli dalle batterie esauste.

 
L'ultrasuonoterapia può svolgere un ruolo benefico nel migliorare il processo di riciclaggio di metalli e materiali preziosi dalle batterie agli ioni di litio esauste, aumentando l'efficacia e l'efficienza delle varie fasi coinvolte nel processo di riciclaggio.
Le fasi del processo di lisciviazione metallica a ultrasuoni e delaminazione degli elettrodi possono essere adattate ai singoli processi di riciclaggio, che possono variare man mano che le aziende specializzate nel riciclaggio delle batterie agli ioni di litio sviluppano e modificano i loro processi per ottenere la massima efficienza.

Cavitazione a ultrasuoni per la separazione dei catodi

L'ultrasuonizzazione separa i materiali catodici dal foglio di alluminio per effetto della cavitazione acustica. La cavitazione acustica o ultrasonica è determinata da alte pressioni e alte temperature che si verificano localmente e dalle loro successive cadute, con conseguenti differenziali di pressione e temperatura, nonché da intense microturbolenze e microgetti ad alto taglio. Queste forze cavitazionali influenzano i confini della superficie, promuovono il trasferimento di massa e causano l'erosione. Generando forze così intense di natura chimica, fisica, termica e meccanica, la cavitazione a ultrasuoni crea l'agitazione e il trasferimento di massa necessari per rompere la struttura del legante organico utilizzato nelle batterie agli ioni di litio per fissare il catodo al collettore/foglio di alluminio.
Mentre l'agitazione meccanica come l'agitazione da sola non è sufficiente a staccare efficacemente il materiale catodico dal foglio di alluminio, l'ultrasuonoterapia ad alta intensità fornisce l'energia sonomeccanica e sicochimica necessaria per rimuovere completamente il materiale catodico dai collettori. A differenza dell'agitazione meccanica, la cavitazione a ultrasuoni genera intense turbolenze, temperature e pressioni localmente elevate, nonché agitazione, flussi e getti di liquido che rompono il legante, ad esempio PVDF o PTFE, che collega il catodo alla lamina di Al, ed erode la superficie di entrambi, catodo e lamina di Al. In questo modo, il legante tra i due materiali viene adeguatamente distrutto e il catodo e il foglio di alluminio vengono efficacemente separati.
Ad esempio, la separazione a ultrasuoni consente di ottenere un'elevata efficienza di rimozione del catodo, pari al 99%, utilizzando come solvente l'N-metil-2-pirrolidone (NMP) a 70°C (potenza ultrasonica di 240 W e tempo di trattamento ultrasonico di 90 minuti). Poiché la separazione a ultrasuoni del catodo disperde il materiale in modo uniforme e impedisce la formazione di agglomerati più grandi, il successivo processo di lisciviazione dei metalli è facilitato.
Per saperne di più sulla delaminazione degli elettrodi a ultrasuoni per recuperare i materiali attivi e le lamine dei collettori di corrente!

Lisciviazione a ultrasuoni dei minerali

Gli effetti cavitazionali degli ultrasuoni sopra descritti favoriscono anche la lisciviazione dei metalli dalle batterie esauste. L'ultrasuonoterapia ad alta intensità non è utilizzata solo per recuperare i minerali nel riciclaggio delle batterie, ma è spesso impiegata anche nell'idrometallurgia e nella lisciviazione di minerali preziosi (ad esempio, gli sterili delle miniere). Le alte temperature localizzate, le pressioni e le forze di taglio intensificano la lisciviazione dei metalli e aumentano notevolmente l'efficienza della lisciviazione. Mentre nei punti caldi della cavitazione si verificano temperature localizzate molto estreme, fino a 1000 K, le condizioni complessive di lisciviazione richiedono solo una temperatura moderata di circa 50-60°C. Ciò rende il recupero dei metalli a ultrasuoni efficiente ed economico.
La lisciviazione a ultrasuoni dei minerali dalle batterie agli ioni di litio esauste è caratterizzata da alti tassi di recupero ed efficienza. Ad esempio, l'acido solforico (H2SO4) è stato utilizzato con successo come agente di lisciviazione in presenza di perossido di idrogeno (H2O2) durante il recupero ultrasonico dei minerali dal catodo. La lisciviazione a ultrasuoni con acido solforico ha portato a tassi di recupero del 94,63% per il cobalto e del 98,62% per il litio, rispettivamente.
La lisciviazione a ultrasuoni con acido citrico organico (C6H8O7-H2O) consente di ottenere recuperi molto elevati di rame e litio, ottenendo il 96% di rame e quasi il 100% di litio dalle batterie Li-ion esauste.

Semplice e sicuro: Scale-up a ultrasuoni dai test di fattibilità al riciclo industriale

Le apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni per il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio sono prontamente disponibili per installazioni da banco, pilota e industriali. Poiché la separazione catodica a ultrasuoni e la lisciviazione a ultrasuoni dei minerali dalle batterie esauste sono processi già consolidati, il processo che va dalle prime prove, all'ottimizzazione in base ai requisiti specifici del processo e all'installazione di un sistema di separazione e/o lisciviazione a ultrasuoni completamente industriale è rapido e semplice.

Ultrasuonatori ad alte prestazioni per il riciclaggio delle batterie

Hielscher Ultrasonics fornisce ultrasuonatori ad alte prestazioni di qualsiasi dimensione e capacità. Con il modello UIP16000 (16kW), Hielscher produce il processore a ultrasuoni più potente al mondo. L'UIP16000 e tutti gli altri sistemi industriali a ultrasuoni possono essere facilmente raggruppati in base alla capacità di elaborazione richiesta. Tutti gli ultrasonori Hielscher sono costruiti per funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, a pieno carico e in ambienti difficili.
Hielscher Ultrasonics’ I processori industriali a ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24 e 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.

Sonde a ultrasuoni e Sono-Reactor per qualsiasi volume

La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l'intero spettro dei processori a ultrasuoni, dai compatti ultrasuoni da laboratorio ai sistemi da banco e pilota, fino ai processori a ultrasuoni completamente industriali con la capacità di trattare carichi di camion all'ora. L'intera gamma di prodotti ci permette di offrirvi l'apparecchiatura a ultrasuoni più adatta alla vostra applicazione, alla vostra capacità di processo e ai vostri obiettivi di produzione.

Ampiezze controllabili con precisione per risultati ottimali

Tutti i processori a ultrasuoni Hielscher sono controllabili con precisione e quindi affidabili cavalli di battaglia in R&D e la produzione. L'ampiezza è uno dei parametri di processo cruciali che influenzano l'efficienza e l'efficacia delle reazioni indotte per via sonica e sonomeccanica. Tutti i prodotti Hielscher Ultrasonics’ I processori consentono di impostare con precisione l'ampiezza. I sonotrodi e le trombe di rinforzo sono accessori che consentono di modificare l'ampiezza in un intervallo ancora più ampio. I processori industriali a ultrasuoni di Hielscher sono in grado di fornire ampiezze molto elevate e di fornire l'intensità ultrasonica richiesta per le applicazioni più complesse. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
Le impostazioni precise dell'ampiezza e il monitoraggio permanente dei parametri del processo a ultrasuoni tramite un software intelligente vi danno la possibilità di separare il catodo dal foglio di alluminio, nonché di lisciviare i minerali e i metalli dalle batterie agli ioni di litio esauste nelle condizioni ultrasoniche più efficaci. Sonicazione ottimale per un riciclaggio delle batterie agli ioni di litio più efficiente!
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili. Ciò rende le apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher uno strumento di lavoro affidabile che soddisfa i requisiti del processo di riciclaggio.

Massima qualità – Progettato e prodotto in Germania

As a family-owned and family-run business, Hielscher prioritizes highest quality standards for its ultrasonic processors. All ultrasonicators are designed, manufactured and thoroughly tested in our headquarter in Teltow near Berlin, Germany. Robustness and reliability of Hielscher’s ultrasonic equipment make it a work horse in your production. 24/7 operation under full load and in demanding environments is a natural characteristic of Hielscher’s high-performance ultrasonic probes and reactors.

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