Ultrasoon logen verandert batterijrecycling en stedelijke mijnbouw

Gebruikte batterijen en elektronisch afval zitten boordevol waardevolle materialen zoals lithium, nikkel, mangaan en kobalt, die essentieel zijn voor de groeiende vraag in de sectoren voor hernieuwbare energie en elektrische voertuigen. Urban mining - het proces waarbij deze metalen worden teruggewonnen uit afgedankte batterijen en ander elektronisch afval - is een veelbelovende route naar een circulaire economie, waarbij de behoefte aan nieuwe mijnbouw wordt verminderd en afval wordt geminimaliseerd. Een belangrijke techniek op dit gebied is sonicatie, waarvan is gebleken dat het enorme voordelen biedt bij het verbeteren van de terugwinningspercentages van metalen, het verkorten van de verwerkingstijden en het verbeteren van de duurzaamheid.

De kracht van Sonication bij batterijrecycling en stedelijke mijnbouw: Een gamehanger voor duurzaam hergebruik van grondstoffen

Een recente studie van Canciani et al. (2024) onderzoekt de effecten van ultrasone cavitatie - minuscule schokgolven gecreëerd door ultrageluidsgolven met hoge intensiteit - op het uitloogproces voor batterijrecycling. Hun onderzoek toont aan dat sonicatie niet slechts een bescheiden verbetering is ten opzichte van traditionele recycling; het verandert fundamenteel hoe het recyclingproces omgaat met batterijmateriaal, waardoor het sneller en efficiënter verloopt en minder afhankelijk is van agressieve chemicaliën.
Lees hieronder meer over de bevindingen van het onderzoek!

Ultrasoon versterkt uitlogen met zuur werkt twaalf keer sneller dan conventioneel uitlogen met zuur, door de gunstige mechanische werking van cavitatiebelletjes die dicht bij het oppervlak barsten. Dit fenomeen verbetert het mengen van de zuuroplossing, waardoor de transporteigenschappen verbeteren.
Afbeelding en studie: © Canciani et al., 2024

Hoe Sonication werkt bij batterijrecycling

Bij het recyclen van batterijen worden kathodematerialen (die waardevolle metalen bevatten) opgelost in een zure oplossing. “uitloging.” Met deze aanpak kunnen metalen uit de vaste structuur van de batterij worden gescheiden en teruggewonnen. Conventioneel logen is echter tijdrovend en duurt vaak uren om een significante terugwinning van metalen te bereiken. Er zijn ook sterke zuren en hoge temperaturen voor nodig, wat zorgen baart over de gevolgen voor het milieu.
Sonicatie transformeert dit proces door ultrasone golven direct aan de uitloogoplossing toe te voegen. In het in 2024 gepubliceerde onderzoek van Canciani et al. testten onderzoekers deze techniek met een surrogaatbatterijmateriaal, lithiumkobaltnikkelmangaanoxide (NMC). Door ultrasone golven met een specifieke frequentie en amplitude toe te passen, ontdekten ze dat ultrasone cavitatie de uitlogingstijd met meer dan 80% verkort. Het proces nam geen uren meer in beslag, maar slechts enkele minuten, wat een revolutionaire verbetering van de efficiëntie betekent.

De rol van Sonicatie in verbeterde uitloging: de wetenschap achter massaoverdracht en snelheid

Sonicatie versnelt niet alleen het uitlogen, maar verandert ook de manier waarop de zure oplossing interageert met de batterijdeeltjes. Ultrasoon geluid met een hoog vermogen creëert miljoenen microscopische belletjes die snel uit elkaar vallen in de oplossing, een fenomeen dat cavitatie wordt genoemd. Dit fenomeen staat bekend als cavitatie. Deze actie genereert intense lokale krachten die oppervlaktedeeltjes afbreken en de interactie tussen het zuur en de metalen in het batterijmateriaal vergroten.
Volgens Canciani et al. (2024) heeft dit proces twee primaire effecten op de batterijmaterialen: het vergroot de porositeit van de deeltjes en verkleint hun grootte, wat leidt tot een dramatische toename van het oppervlak. Met een groter oppervlak kan het zuur een uitgebreidere interactie aangaan met het materiaal, waardoor het sneller kan uitlogen. De auteurs stelden vast dat het poriënvolume in gesoniseerde monsters met een orde van grootte toenam in vergelijking met conventioneel verwerkte monsters, waardoor er meer paden voor het zuur ontstonden om de metaalinhoud op te lossen.

SEM-afbeeldingen van deeltjes op verschillende tijdstippen van conventioneel (a-c) en ultrasoon (d-f) uitlogen.
Afbeelding en studie: © Canciani et al., 2024

Ultrasoon uitlogen: verbeterde transporteigenschappen en micro-menging

Het onderzoek suggereert ook dat ultrasone cavitatie niet alleen het contact met het oppervlak verbetert, maar ook de transporteigenschappen aanzienlijk verbetert. In wezen betekent dit dat de verdeling van zuur over de batterijdeeltjes uniformer wordt, waarbij de door cavitatie veroorzaakte micro-menging zorgt voor een gelijkmatige blootstelling. Dit leidt tot een gehomogeniseerde reactieomgeving, waardoor het zuur de metalen effectiever en gelijkmatiger kan oplossen.
Een andere opmerkelijke bevinding is dat de voordelen van ultrasone cavitatie verder gaan dan het verkleinen van de deeltjesgrootte. De onderzoekers ontdekten dat cavitatie het interactiemechanisme tussen het zuur en de deeltjes verandert, waarschijnlijk door verbeterd grenslaagtransport. Eenvoudig gezegd vermindert cavitatie de dikte van de vloeistoflaag rond elk deeltje, waardoor metalen sneller oplossen.

Deeltjesgrootteverdelingen na ultrasoon en conventioneel uitlogen
Afbeelding en studie: © Canciani et al., 2024

Voordelen voor stedelijke mijnbouw en duurzaamheid

De effectiviteit van sonicatie bij het recyclen van batterijen biedt een enorm potentieel voor de toekomst van stedelijke mijnbouw en duurzame terugwinning van grondstoffen. De bevindingen van Canciani et al. (2024) geven aan dat sonicatie de afhankelijkheid van milieubelastende praktijken zal vervangen of verminderen door:

• Chemisch gebruik verminderen: Ultrasoon verbeterd uitlogen maakt het gebruik van groenere oplosmiddelen zoals azijnzuur mogelijk in plaats van de hardere zuren die gewoonlijk nodig zijn voor conventioneel uitlogen.
• Energievereisten verlagen: Met sonicatie vindt uitloging snel plaats bij kamertemperatuur in plaats van langdurige verhitting, waardoor het energieverbruik en de uitstoot afnemen.
• Herwinning van materialen verhogen: Verbeterde oppervlakte-interactie en verbeterde porositeit maximaliseren de terugwinning van waardevolle metalen, waardoor het recyclingproces economisch levensvatbaar en milieuvriendelijk wordt.

Bredere impact op de batterij-industrie

Naarmate EV's en hernieuwbare energietechnologieën toenemen, stijgt de vraag naar batterijen en dus ook naar de metalen daarin. Urban mining met sonicatieversterkte recycling biedt een manier om deze metalen op duurzame wijze terug te winnen, de milieubelasting van de mijnbouw te verminderen en een gesloten-lusbenadering van batterijproductie en -verwijdering te bieden.
Het opschalen van op sonicatie gebaseerde recyclingmethoden, het optimaliseren van combinaties van oplosmiddelen en het verfijnen van de toepassing van ultrasone golven zal de efficiëntie verder verbeteren. Hielscher Ultrasonics adviseert u graag de ideale sonicator inline configuratie voor uw uitloogproces. Neem nu contact met ons op!

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany

Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: