超音波がリチウムイオン電池のリサイクルを効率化

リチウムは、リチウムイオン電池のような高性能電池に含まれる希少価値の高い材料である。リチウムはリチウムイオン電池のリサイクルで回収される最も貴重な材料ですが、コバルト、マンガン、ニッケル、銅、アルミニウムなどの他の鉱物や金属も回収のための貴重な金属です。使用済み電池から貴重な鉱物や金属を抽出、除去、溶解するために、高剪断攪拌浸出技術として高強度超音波処理を使用します。超音波処理法は非常に効率的でエネルギー効率に優れ、本格的な商業用リサイクル施設に容易に設置できます。

概要リチウムイオン電池のリサイクルプロセス

使用済みリチウムイオンバッテリーからの貴金属および材料のリサイクルプロセスには、通常いくつかのステップがあります。以下はその概要である：

1. 収集と選別： 使用済みリチウムイオン電池は回収され、種類と化学的性質に基づいて分類される。
2. 分解:その後、爆発性の反応性物質を中和するため、裸のバッテリーを液体窒素に入れる。この工程により、蓄積されたエネルギーが突然放出され、それに伴う発火や爆発が防止される。その後、電池を分解し、正極、負極、電解液、ケーシングなどの異なる部品を分離する。
3. シュレッダー： 分解されたバッテリーは、後工程の表面積を増やすために細かく破砕される。
4. 電極の剥離： 金属抽出処理の前に、分離された電極、すなわち正極と負極をさらに分解しなければならない。正極材料は一般に、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）やポリテトラフルオロエチレン（PTFE）などのバインダーによってアルミニウム箔に接着されているため、正極とアルミニウム箔を互いに剥がすのは困難な作業である。
5. 化学処理： 細断されたバッテリー部品は、様々な化学処理を施され、異なる材料を溶解・分離する。これは、リチウム、コバルト、ニッケル、銅のような貴重な金属を抽出するために、酸や他の溶媒で浸出することを含むかもしれない。
6. 回収と浄化： 溶解した金属は、沈殿、溶媒抽出、電気化学的手法などのプロセスを通じて溶液から回収される。これらの工程は、貴金属の精製と濃縮に役立つ。

ソニケーションによる貴金属回収の改善

パワー超音波は、電極の剥離と貴金属や材料の浸出のステップを、反応を強めることによって強化することができ、それによって回収プロセスを大幅に効率化することができます。超音波処理（Ultrasonication）は、高強度の超音波を利用して、液体媒体中に機械的振動と音響キャビテーションを発生させる技術です。超音波処理の強い力は、いくつかの方法で使用済みリチウムイオン電池からの貴金属のリサイクルプロセスを強化するために使用されます：
 

1. 崩壊： 超音波処理により、細断されたバッテリー材料が分解され、より小さな粒子が生成されます。粒子が小さいと表面積が大きくなるため、化学的浸出がより効果的に行われ、貴重な金属の溶出が促進される。
2. 浸出の改善： 浸出プロセス中に超音波処理を適用することで、固形物質と浸出溶液の接触を促進し、金属抽出の効率を高めることができる。超音波浸出は金属抽出を促進し、コバルト、マンガン、ニッケル、銅、アルミニウムなどの金属や鉱物の回収率を高めます。
3. 電極の剥離を改善： 電池リサイクル中の電極剥離の目的は、電極、電解質、セパレーターなどの異なる構成部品を分離し、さらに個別に処理またはリサイクルできるようにすることです。超音波は電極からのコーティングの剥離と除去を助けます。ソノメカニカルな力が電極層の効率的な分離を促進します。
4. 反応の加速： 超音波は、より速く、より完全な混合を促進し、金属回収や精製工程での化学反応を促進することができる。
5. エネルギー消費の削減： 超音波処理はプロセス効率を高め、使用済みバッテリーからの金属回収に必要な時間とエネルギーを削減することができる。

 
超音波処理は、使用済みリチウムイオンバッテリーからの貴金属や材料のリサイクル工程を改善する上で、リサイクル工程に関わる様々なステップの有効性と効率を高めることにより、有益な役割を果たすことができる。
超音波金属浸出と電極剥離の工程は、リチウムイオン電池のリサイクルを専門とする企業が最高効率になるように工程を開発・変更するため、個々のリサイクル工程に適合させることができる。

正極分離のための超音波キャビテーション

超音波処理では、音響キャビテーションの効果によってアルミニウム箔から正極材料を分離する。音響キャビテーションまたは超音波キャビテーションは、局所的に発生する高圧、高温、およびそれに続く圧力と温度の差、ならびに激しい微小乱流と高剪断マイクロジェットによって決定されます。これらのキャビテーション力は、表面境界に影響を与え、物質移動を促進し、浸食を引き起こす。このような化学的、物理的、熱的、機械的性質の強い力を発生させる超音波キャビテーションは、リチウムイオン電池で正極を集電体／アルミ箔に固定するために使用される有機バインダー構造を破壊するために必要な撹拌と物質移動を生み出します。
攪拌のような機械的攪拌だけでは正極材料をアルミニウム箔から効果的に剥離するには不十分ですが、高強度超音波攪拌は正極材料を集電体から完全に剥離するために必要な超音波化学的および超音波機械的エネルギーを提供します。機械的攪拌とは対照的に、超音波キャビテーションは激しい乱流、局所的な高温・高圧、攪拌、噴流、液体ジェットを発生させ、正極とアルミ箔をつなぐPVDFやPTFEなどのバインダーを破壊し、正極とアルミ箔の両方の表面を侵食します。これにより、両材料間のバインダーが適切に破壊され、カソードとアルミ箔が効果的に分離されます。
例えば、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)を溶媒として70℃で超音波分離すると、99%という高いカソード除去効率が得られる（超音波出力240W、超音波処理時間90分）。超音波カソード分離は材料を均一に分散させ、大きな凝集を防ぐため、その後の金属浸出プロセスが容易になる。
活物質や集電箔を回収するための超音波電極剥離について、詳しくはこちらをご覧ください！

鉱物の超音波浸出

上記の超音波キャビテーション効果は、使用済みバッテリーからの金属の浸出も促進する。高強度超音波処理は、電池リサイクルにおけるミネラル回収に用いられるだけでなく、湿式冶金や貴金属鉱石の浸出（採鉱尾鉱など）にもしばしば用いられている。局所的な高温、高圧、せん断力によって金属浸出が強化され、浸出効率が大幅に向上する。キャビテーション・ホットスポットでは、局所的に最高1000Kの非常に高い温度が発生しますが、全体的な浸出条件では約50～60℃の穏やかな温度しか必要としません。このため、超音波金属回収はエネルギー効率が高く、経済的です。
使用済みリチウムイオン電池からのミネラルの超音波浸出は、高い回収率と効率が特徴である。例えば、正極からの超音波鉱物回収において、過酸化水素（H2O2）の存在下で硫酸（H2SO4）を浸出剤として使用することに成功した。硫酸を用いた超音波浸出の結果、コバルトの回収率は94.63%、リチウムの回収率は98.62%であった。
有機クエン酸（C6H8O7-H2O）による超音波浸出では、銅とリチウムの回収率が非常に高く、使用済みリチウムイオン電池から銅96％、リチウムほぼ100％が得られた。

シンプルで安全：フィージビリティ・テストから産業リサイクルへの超音波スケールアップ

リチウムイオンバッテリーリサイクル用の高性能超音波装置は、ベンチトップ、パイロット、および産業用設置が可能です。使用済みバッテリーからの正極の超音波分離と鉱物の超音波浸出は、すでに確立されたプロセスであるため、最初の試験から、お客様固有のプロセス要件に合わせた最適化、完全工業用超音波分離・浸出システムの設置までのプロセスは、迅速かつ簡単です。
持続可能なバッテリーリサイクルと都市鉱山における超音波浸出の利点について、詳しくはこちらをご覧ください！

バッテリーリサイクル用高性能超音波装置

Hielscher Ultrasonics社は、あらゆるサイズと容量の高性能超音波処理装置を提供しています。UIP16000（16kW）により、Hielscher社は世界で最もパワフルな超音波処理装置を製造しています。UIP16000だけでなく、他のすべての工業用超音波システムは、必要な処理能力に簡単にクラスタ化することができます。全てのHielscher社製超音波処理装置は、24時間365日の全負荷運転や過酷な環境下での運転に対応できるように設計されています。
Hielscher Ultrasonics’ 工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供することができます。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続稼働が容易です。さらに高い振幅を得るには、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。

あらゆる体積に対応する超音波プローブとソノリアクター

Hielscher Ultrasonicsの製品レンジは、コンパクトなラボ用超音波処理装置から、ベンチトップやパイロットシステム、トラック1台分の処理能力を持つ産業用超音波処理装置まで、あらゆる超音波処理装置をカバーしています。幅広い製品群により、お客様のアプリケーション、処理能力、生産目標に最適な超音波装置を提供することができます。

最適な結果を得るために正確に制御可能な振幅

Hielscherの超音波プロセッサーはすべて、精密に制御可能であり、その結果、R.I.S.における信頼性の高い作業馬となります。&Dと生産。振幅は、超音波化学的および超音波機械的に誘導される反応の効率と効果に影響を与える重要なプロセスパラメーターの一つです。すべてのHielscher Ultrasonics’ プロセッサーにより、振幅を正確に設定できます。ソノトロードとブースターホーンは、さらに広い範囲で振幅を変更できるアクセサリーです。Hielscherの工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供し、要求の厳しいアプリケーションに必要な超音波強度を提供することができます。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続運転が可能です。
正確な振幅設定と、スマートソフトウェアによる超音波プロセスパラメータの常時モニタリングにより、最も効果的な超音波条件下で、使用済みリチウムイオン電池からミネラルや金属を溶出させるだけでなく、正極とアルミ箔を分離することができます。最も効率的なリチウムイオン電池リサイクルのための最適な超音波処理！
Hielscher 社の超音波ソニケーターは堅牢であるため、過酷な環境下でも24時間365日の運転が可能です。そのため、Hielscherの超音波ソニケーターは、リサイクルプロセスの要件を満たす信頼性の高い作業ツールです。

最高品質 – ドイツで設計・製造

家族経営の企業として、Hielscher社は超音波プロセッサーの最高品質基準を優先しています。すべての超音波処理装置は、ドイツ・ベルリン近郊のテルトウにある本社で設計、製造、徹底的なテストが行われています。Hielscherの超音波装置は、頑丈で信頼性が高いため、お客様の生産現場で活躍します。全負荷、過酷な環境下での24時間365日の稼働は、Hielscherの高性能超音波プローブとリアクターの当然の特徴です。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：

知っておくべき事実

リチウムイオン電池とは？

リチウムイオン電池は、リチウムイオン二次電池とも呼ばれ、二次電池の一種である。鉛電池やニッケル電池に比べ、リチウムイオン電池は正極、負極、電解液を導体として使用する。
他の電池と同様、リチウムイオン電池は化学エネルギーを蓄え、それを電気エネルギーに変換して電力を供給する。
リチウムイオン電池は、ノートパソコンやスマートフォン、電気自動車などの携帯電子機器によく使われている。リチウムイオン電池の応用は、軍需企業や航空宇宙企業からの関心も高めている。