Ultraschall fir de Recycling vu Lithium-Ionen-Batterien

• Lithium-Ionen-Batterien, déi an Elektroautoe benotzt ginn, kommen eréischt elo op de Massemaart, an domat musse Recyclingkapazitéiten entwéckelt ginn.
• D’Auslaugung mat Ultraschall ass eng effizient, ëmweltfrëndlech Technik, fir Metaller wéi Li, Mg, Co, Ni asw. aus verbrauchte Lithium-Ionen-Batterien zeréckzegewannen.
• Déi industriell Ultraschallsystemer vun Hielscher fir Auslaugungsapplikatioune sinn zouverlässeg a robust a kënnen einfach a besteeënd Recyclinganlagen integréiert ginn.

Recycling vu Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterië gi vill an elektresche Gefierer (EV), Laptopen an Handye benotzt. Dat bedeit, datt verbrauchte Lithium-Ionen-Batterien eng aktuell Erausfuerderung fir d’Offallgestioun an de Recycling duerstellen. D’Batterië sinn e wesentleche Käschtefaktor fir elektresch Gefierer, an och hir Entsuergung ass deier. Ëmweltbezunnen a wirtschaftlech Aspekter drängen op en zouene Recyclingkreeslaf, well de Batterieoffall wäertvoll Materialie enthält an dozou bäidréit, den CO2-Foussofdrock vun der Hierstellung vu Lithium-Ionen-Batterien ze reduzéieren.
De Recycling vu Lithium-Ionen-Batterien entwéckelt sech zu engem floréierenden Industriesecteur, fir déi zukünfteg Disponibilitéit vu Metaller vun de seelenen Äerden an anere Batteriekomponenten ze garantéieren an d’Ëmweltkäschte vum Biergbau ze reduzéieren.

Pyrometallurgeschen an hydrometallurgesche Recycling am Verglach mam Batterierecycling mat Ultraschall

Hei drënner vergläiche mir déi konventionell Methode vu pyrometallurgeschen an hydrometallurgesche Prozesser mat der Auslaugungstechnik mat Ultraschall wat hir Virdeeler an Nodeeler ugeet.

D’Nodeeler vum konventionelle Batterierecycling

Traditionell Methoden, déi fir de Recycling vu Lithium-Ionen-Batterië benotzt ginn, ëmfaasse pyrometallurgesch an hydrometallurgesch Prozesser.
 
Pyrometallurgesch Methoden ëmfaassen Héichtemperaturprozesser wéi d’Schmelzen oder d’Verbrennung. D’Batterië ginn extremer Hëtzt ausgesat, wouduerch déi organesch Komponente verbrennen, an déi verbleiwend metallesch Komponente gi geschmolt a getrennt. Dës Methoden hunn awer e puer Nodeeler:

• Ëmweltauswierkungen: Pyrometallurgesch Prozesser setze schiedlech Emissiounen a Schuedstoffer an d’Atmosphär fräi, wat zur Loftverschmotzung bäidréit a méiglecherweis Gesondheetsgefore verursaacht.
• Materialverloscht: Héichtemperaturprozesser kënnen duerch thermeschen Ofbau zum Verloscht vu wäertvolle Materialien a Metaller féieren, wouduerch de gesamte Réckgewënnungsquote reduzéiert gëtt.
• Héijen Energiebedarf: Dës Methoden erfuerderen typescherweis e bedeitenden Energieasaz, wat d’Betribskäschten an den Ëmweltfoussofdrock erhéicht.

 
Hydrometallurgesch Methoden ëmfaassen eng cheemesch Auslaugung, fir d’Batteriekomponenten opzeléisen a wäertvoll Metaller ze extrahéieren. Obwuel d’Hydrometallurgie méi ëmweltfrëndlech ass wéi pyrometallurgesch Methoden, huet si hir eegen Nodeeler:

• Asaz vu Chemikalien: Fir d’Auslaugung si staark Saieren oder aner korrosiv Chemikalien néideg, wat Bedenke beim Ëmgang mat Chemikalien, bei der Offallgestioun an am Hibléck op eng méiglech Ëmweltkontaminatioun opwerft.
• Erausfuerderunge bei der Selektivitéit: Et ka schwiereg sinn, eng selektiv Auslaugung vun de gewënschte Metaller z’erreechen, wat zu méi niddrege Réckgewënnungsquoten an engem méigleche Verloscht vu wäertvolle Ressourcë féiert.

 

Virdeeler vun der Batterieauslaugung mat Ultraschall géintiwwer konventionellen Techniken

Am Verglach mat souwuel pyrometallurgeschen ewéi och hydrometallurgesche Recyclingtechniken ass d’Technik vum Batterierecycling mat Ultraschall duerch verschidde Virdeeler iwwerleeën:

1. Méi héich Effizienz: D’Behandlung mat Ultraschall kann den Ofbau vu Batteriematerialie beschleunegen, wat zu méi kuerze Veraarbechtungszäiten an enger méi héijer Gesamteffizienz féiert.
2. Verbessert Réckgewënnungsquoten: Déi kontrolléiert Uwendung vun Ultraschallkavitatioun verbessert den Ofbau vu Batteriekomponenten, wouduerch d’Réckgewënnungsquote vu wäertvolle Metaller erhéicht ginn.
3. Ëmweltfrëndlech: De Recycling mat Ultraschall reduzéiert d’Ofhängegkeet vun héijen Temperaturen an aggressive Chemikalien, wouduerch d’Ëmweltauswierkunge miniméiert an d’Schuedstoffemissioune reduzéiert ginn.
4. Selektiv Auslaugung: Déi kontrolléiert Uwendung vun Ultraschall erméiglecht et, spezifesch Komponenten an der Batterie geziilt opzebriechen an effizient ze trennen. Well verschidde recycléierbar Batterieverbindunge bei spezifeschen Ultraschallintensitéiten ewechgeholl an opgeléist ginn, erlaben optiméiert Veraarbechtungsparameter e selektiivt Auslauge vun eenzelne Materialien. Dëst erliichtert déi effizient Trennung vu wäertvolle Metaller a Materialien.
5. Reduzéierten Energieverbrauch: Am Verglach mat hydrometallurgeschen a besonnesch mat pyrometallurgesche Methoden ass den Ultraschallrecycling am Allgemengen méi energieeffizient, wat zu méi niddrege Betribskäschten an engem reduzéierte Kuelestoffofdrock féiert.
6. Skaléierbarkeet a Flexibilitéit: Ultraschallsystemer kënne liicht erop- oder erofskaléiert ginn, fir u verschidde Batteriegréissten a Produktiounskapazitéiten ugepasst ze ginn. Zousätzlech kënnen Ultraschallapparater fir de Batterierecycling liicht a scho bestoend Anlagen fir de Batterierecycling integréiert ginn. Well Ultraschallapparater a verschiddene Leeschtungsstufen a mat passenden Accessoirë wéi Ultraschallsonden an Duerchflosszellereaktore ouni Weideres disponibel sinn, kënne si Batteriekomponente vu verschiddene Gréisste bei verschiddene Produktiounskapazitéite verschaffen a bidden domat Skaléierbarkeet an Upassungsfäegkeet a Recyclingprozesser.
7. Synergetesch Integratioun: D’Auslauge mat Ultraschall kann a bestoend hydrometallurgesch Batterierecyclinglinnen integréiert ginn, fir d’hydrometallurgescht Auslauge vu wäertvolle Metaller a Materialien aus verbrauchte Li-Ione-Batterien ze intensivéieren an ze verbesseren.

Am Ganze weist den Ultraschallrecycling vu Batterië Potenzial als eng méi ëmweltfrëndlech, effizient a selektiv Method am Verglach mat traditionelle pyrometallurgeschen an hydrometallurgeschen Usätz.

 

Industriellt Auslauge mat Ultraschall fir d’Réckgewënnung vu Metaller aus verbrauchte Batterien

D’Auslauge mat Ultraschall an d’Metallextraktioun kënne bei Recyclingprozesser vu Lithium-Kobaltoxid-Batterien (z. B. aus Laptops, Smartphonen, asw.) souwéi vu komplexe Lithium-Néckel-Mangan-Kobalt-Batterien (z. B. aus Elektrogefierer) agesat ginn.
Héichleeschtungsultraschall ass bekannt fir seng Fäegkeet, cheemesch Flëssegkeeten a Schlammen ze verschaffen, fir de Stofftransport ze verbesseren a cheemesch Reaktiounen auszeléisen.
Déi intensiv Effekter vun der Behandlung mat Héichleeschtungsultraschall baséieren op dem Phenomeen vun der akustescher Kavitatioun. Duerch d’Akopplung vun Héichleeschtungsultraschall a Flëssegkeeten / Schlammen produzéieren déi ofwiesselend Déifdrock- an Héichdrockwellen an de Flëssegkeete kleng Vakuumblosen. Déi kleng Vakuumhuelraim wuessen iwwer e puer Déifdrock- / Héichdrockzyklen, bis se hefteg implodéieren. Déi zesummebriechend Vakuumblosen kënnen als Mikroreaktere betruecht ginn, an deenen Temperature vu bis zu 5000K, Dréck vu bis zu 1000atm an Heiz- an Ofkillrate vun iwwer 10^-10 optrieden. Ausserdeem entstinn staark hydrodynamesch Schéierkräften a Flëssegkeetsstrale mat enger Vitess vu bis zu 280m/s. Dës extrem Bedéngunge vun der akustescher Kavitatioun schafen aussergewéinlech physikalesch a cheemesch Bedéngungen an u sech kale Flëssegkeeten a schafen e gënschtegt Ëmfeld fir cheemesch Reaktiounen (sougenannt Sonochemie).

Duerch Ultraschall produzéiert Kavitatioun kann d’Thermolyse vun opgeléiste Stoffer souwéi d’Bildung vun héichreaktive Radikalen a Reagenzien ausléisen, wéi fräi Radikalen, Hydroxidionen (•OH,) Hydronium (H₃O+) asw., déi aussergewéinlech reaktiv Bedéngungen an der Flëssegkeet schafen, soudatt d’Reaktiounsvitesse däitlech erhéicht gëtt. Feststoffer wéi Partikele gi vun de Flëssegkeetsstrale beschleunegt an duerch Kollisiounen tëscht de Partikelen an Ofreiwung zerklengert, wouduerch déi aktiv Uewerfläch an domat de Massentransfert vergréissert ginn.
De grousse Virdeel vun der Ultraschallauslaugung an der Metallréckgewënnung ass déi präzis Kontroll iwwer d’Prozessparameter wéi Amplitud, Drock an Temperatur. Dës Parameter erlaben et, d’Reaktiounsbedéngungen exakt un d’Prozessmedium an dat ugestrieft Resultat unzepassen. Ausserdeem hëlt d’Ultraschallauslaugung souguer déi klengst Metallpartikele vum Substrat ewech, wärend d’Mikrostrukturen erhale bleiwen. Déi verbessert Metallréckgewënnung ass op d’Bildung vun héichreaktiven Uewerflächen duerch Ultraschall, erhéicht Reaktiounsvitessen a verbesserte Massentransport zeréckzeféieren. Ultraschallbehandlungsprozesser kënnen duerch d’Beaflosse vun all Parameter optiméiert ginn a sinn dofir net nëmme ganz effektiv, mee och héich energieeffizient.
Déi exakt Parameterkontroll an d’Energieeffizienz maachen d’Ultraschallauslaugung zu enger avantagéiser an iwwerleeëner Technik – besonnesch am Verglach mat komplizéierte Saierauslaugungs- a Chelatbildungstechniken.

Ultraschallgestëtzt Réckgewënnung vu LiCoO₂ aus gebrauchte Lithium-Ionen-Batterien

D’Ultraschallbehandlung ënnerstëtzt déi reduktiv Auslaugung an d’cheemesch Fällung, déi agesat ginn, fir Li als Li₂CO₃ a Co als Co(OH)₂ aus gebrauchte Lithium-Ionen-Batterien zeréckzegewannen.
Zhang et al. (2014) berichten iwwer déi erfollegräich Réckgewënnung vu LiCoO₂ mat Hëllef vun engem Ultraschallreakter. Fir d’Ausgangsléisung vu 600mL virzebereeden, hu si 10g onbrauchbare LiCoO₂ Pudder an e Becherglas ginn an eng LiOH-Léisung mat 2,0mol/L bäigefüügt, déi domat vermëscht gouf.
D’Mëschung gouf an d’Ultraschallbestralung geschott an d’Réierapparatur gouf ageschalt; d’Réierapparatur war am Reaktiounsbehälter placéiert. D’Mëschung gouf op 120◦C erhëtzt, an duerno gouf den Ultraschallapparat op 800W agestallt an den Ultraschallbetrib op gepulste Betribszyklen vu 5 sec. UN / 2sec. AUS gesat. D’Ultraschallbestralung gouf fir 6h applizéiert, an duerno ass d’Reaktiounsmëschung op Raumtemperatur ofgekillt. De feste Rescht gouf e puermol mat deioniséiertem Waasser gewäsch a bei 80◦C bis zu engem konstante Gewiicht gedréchent. Déi kritt Prouf gouf fir uschléissend Tester an d’Batterieproduktioun gesammelt. D’Luede-Kapazitéit am éischten Zyklus ass 134,2mAh/g an d’Entluede-Kapazitéit ass 133,5mAh/g. De Wierkungsgrad beim éischte Lueden an Entluede war 99,5%. No 40 Zyklen ass d’Entluede-Kapazitéit nach ëmmer 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
D’Ultraschallauslaugung mat organesche Saiere wéi Zitrounesaier ass net nëmmen effektiv, mee och ëmweltfrëndlech. Fuerschungen hu gewisen, datt d’Auslaugung vu Co a Li mat Zitrounesaier méi effizient ass wéi mat den anorganesche Saieren H2SO4 an HCl. Méi wéi 96% Co a bal 100% Li goufen aus gebrauchte Lithium-Ionen-Batterien zeréckgewonnen. D’Tatsaach, datt organesch Saiere wéi Zitrounesaier an Esse gënschteg a biologesch ofbaubar sinn, dréit zu weidere wirtschaftlechen an ekologesche Virdeeler vun der Ultraschallbehandlung bäi.

Industriellen Héichleeschtungsultraschall fir d’Auslaugung vu Metaller aus gebrauchte Batterien

Hielscher Ultrasonics ass Äre Fournisseur mat laangjäreger Erfarung fir héicheffizient an zouverlässeg Ultraschallsystemer, déi déi néideg Leeschtung liwweren, fir Metaller aus Offallmaterialien auszelaugen. Fir Li-Ione-Batterien duerch d’Extraktioun vu Metaller wéi Kobalt, Lithium, Néckel a Mangan nees opzebereeden, si leeschtungsstaark a robust Ultraschallsystemer onëmgänglech. D’Industrieapparater vun Hielscher Ultrasonics wéi den UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) an UIP16000 (16kW) sinn déi leeschtungsstäerkst a robustst Héichleeschtungsultraschallsystemer um Maart. All eis Industrieapparater kënne kontinuéierlech mat ganz héijen Amplitudë vu bis zu 200µm am 24/7-Betrib bedriwwe ginn. Fir nach méi héich Amplitudë si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel. D’Robustheet vun den Ultraschallapparater vun Hielscher erméiglecht de 24/7-Betrib ënner héijer Belaaschtung an an usprochsvollen Ëmfeld. Hielscher liwwert och speziell Sonotroden a Reaktere fir héich Temperaturen, héich Drécker a korrosiv Flëssegkeeten. Doduerch sinn eis Industrieultraschallapparater am beschte fir Verfare vun der extraktiver Metallurgie gëeegent, z. B. fir hydrometallurgesch Behandlungen.

Déi follgend Tabell gëtt Iech en Unhaltspunkt fir déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:

---

---

Literatur/Referenzen

• 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.