Ultrasone uitloging transformeert batterijrecycling en urban mining

Gebruikte batterijen en elektronisch afval zitten vol 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 terugwinnen van deze metalen uit afgedankte batterijen en ander elektronisch afval – is een veelbelovende route naar een circulaire economie, waarbij de behoefte aan primaire mijnbouw afneemt en afval tot een minimum wordt beperkt. Een belangrijke techniek op dit gebied is sonicatie, die enorme voordelen heeft laten zien bij het verhogen van de metaalterugwinningspercentages, het verkorten van verwerkingstijden en het verbeteren van de duurzaamheid.

De kracht van sonicatie bij batterijrecycling en urban mining: een doorbraak voor duurzame grondstoffenterugwinning

Een recente studie van Canciani et al. (2024) onderzoekt de effecten van ultrasone cavitatie – kleine schokgolven die door ultrasone golven met hoge intensiteit worden opgewekt – op het uitlogingsproces bij batterijrecycling. Hun onderzoek laat zien dat sonicatie niet slechts een bescheiden verbetering van traditionele recycling is; sonicatie verandert fundamenteel hoe het recyclingproces op batterijmateriaal inwerkt, waardoor het sneller en efficiënter wordt en minder afhankelijk is van agressieve chemicaliën.
Lees hieronder meer over de bevindingen van de studie!

Ultrasoon versterkte uitloging met zuur verloopt twaalf keer sneller dan conventionele uitloging met zuur, dankzij de gunstige mechanische werking van cavitatiebellen die nabij het oppervlak uiteenspatten. Dit verschijnsel verbetert de menging van de zuuroplossing en daarmee de transporteigenschappen.
Afbeelding en studie: © Canciani et al., 2024

Hoe sonicatie werkt bij batterijrecycling

Bij gangbare batterijrecycling worden kathodematerialen (die waardevolle metalen bevatten) opgelost in een zure oplossing, een proces dat “uitloging” wordt genoemd. Met deze aanpak kunnen metalen uit de vaste structuur van de batterij worden gescheiden en teruggewonnen. Conventionele uitloging is echter tijdrovend en duurt vaak uren voordat een aanzienlijke hoeveelheid metaal wordt teruggewonnen. Bovendien zijn sterke zuren en hoge temperaturen nodig, wat zorgen over de milieueffecten oproept.
Sonicatie transformeert dit proces door ultrasone golven rechtstreeks in de uitlogingsoplossing te brengen. In de in 2024 gepubliceerde studie van Canciani et al. testten onderzoekers deze techniek met een vervangend batterijmateriaal, lithiumkobaltnikkelmangaanoxide (NMC). Door ultrasone golven met een specifieke frequentie en amplitude toe te passen, ontdekten zij dat ultrasone cavitatie de uitlogingstijd met meer dan 80% verkort. Het proces ging van uren naar slechts minuten, wat een revolutionaire verbetering van de efficiëntie oplevert.

De rol van sonicatie bij verbeterde uitloging: de wetenschap achter massaoverdracht en snelheid

Sonicatie versnelt niet alleen de uitloging; ze verandert ook de manier waarop de zure oplossing met de batterijdeeltjes in wisselwerking treedt. Ultrasoon geluid met hoog vermogen creëert miljoenen microscopische bellen die snel in de oplossing imploderen, een verschijnsel dat bekendstaat als cavitatie. Deze werking genereert intense lokale krachten die deeltjes aan het oppervlak afbreken en de wisselwerking 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 verhoogt de porositeit van de deeltjes en verkleint ze, wat tot een drastische toename van het oppervlak leidt. Dankzij het grotere oppervlak kan het zuur uitgebreider met het materiaal in wisselwerking treden, waardoor snellere uitloging mogelijk wordt. De auteurs constateerden dat het poriënvolume in gesoniceerde monsters met een orde van grootte toenam ten opzichte van conventioneel verwerkte monsters, waardoor meer doorgangen ontstonden waarlangs het zuur de aanwezige metalen kan oplossen.

SEM-beelden van deeltjes op verschillende tijdstippen tijdens conventionele (a–c) en ultrasone (d–f) uitloging.
Afbeelding en studie: © Canciani et al., 2024

Ultrasone uitloging: verbeterde transporteigenschappen en micromenging

De studie suggereert ook dat ultrasone cavitatie niet alleen het contact met het oppervlak verbetert, maar ook de transporteigenschappen aanzienlijk verbetert. Dit betekent in wezen dat het zuur gelijkmatiger over de batterijdeeltjes wordt verdeeld, waarbij door cavitatie veroorzaakte micromenging voor een gelijkmatige blootstelling zorgt. Dit leidt tot een gehomogeniseerde reactieomgeving, waardoor het zuur metalen effectiever en gelijkmatiger kan oplossen.
Een andere opmerkelijke bevinding is dat de voordelen van ultrasone cavitatie verder gaan dan de verkleining van deeltjes. De onderzoekers ontdekten dat cavitatie het interactiemechanisme tussen het zuur en de deeltjes verandert, waarschijnlijk door verbeterd transport door de grenslaag. Eenvoudig gezegd vermindert cavitatie de dikte van de vloeistoflaag rond elk deeltje, waardoor metalen sneller kunnen oplossen.

Deeltjesgrootteverdelingen na ultrasone en conventionele uitloging
Afbeelding en studie: © Canciani et al., 2024

Voordelen voor urban mining en duurzaamheid

De effectiviteit van sonicatie bij batterijrecycling biedt een enorm potentieel voor de toekomst van urban mining en duurzame grondstoffenterugwinning. De bevindingen van Canciani et al. (2024) wijzen erop dat sonicatie milieuschadelijke praktijken zal vervangen of de afhankelijkheid daarvan zal verminderen door:

• Vermindering van het gebruik van chemicaliën: Ultrasoon versterkte uitloging maakt het mogelijk milieuvriendelijkere oplosmiddelen zoals azijnzuur te gebruiken in plaats van de agressievere zuren die doorgaans nodig zijn voor conventionele uitloging.
• Verlaging van de energiebehoefte: Met sonicatie verloopt uitloging snel bij kamertemperatuur, in plaats van langdurige verhitting te vereisen, waardoor het energieverbruik en de uitstoot afnemen.
• Verhoging van de materiaalterugwinning: Verbeterde wisselwerking aan het oppervlak en verhoogde porositeit maximaliseren de terugwinningspercentages van waardevolle metalen, waardoor het recyclingproces economisch rendabel en milieuvriendelijk wordt.

Bredere impact op de batterij-industrie

Naarmate elektrische voertuigen en technologieën voor hernieuwbare energie zich verder verbreiden, stijgt de vraag naar batterijen en daarmee naar de metalen die ze bevatten sterk. Urban mining met door sonicatie verbeterde recycling biedt een manier om deze metalen duurzaam terug te winnen, waardoor de milieubelasting door mijnbouw afneemt en een gesloten kringloop voor batterijproductie en afvalverwerking mogelijk wordt.
Het opschalen van recyclingmethoden op basis van sonicatie, het optimaliseren van combinaties van oplosmiddelen en het verfijnen van de toepassing van ultrasone golven zullen de efficiëntie verder verhogen. Hielscher Ultrasonics adviseert u graag over de ideale inlineconfiguratie van de sonicator voor uw uitlogingsproces. Neem nu contact met ons op!

Ontwerp, productie en advies – kwaliteit uit Duitsland

De sonicators van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze sonicators in industriële installaties mogelijk. De sonicators van Hielscher kunnen zware omstandigheden en veeleisende omgevingen met gemak aan.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op sonicators met hoge prestaties met geavanceerde technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard voldoen de sonicators van Hielscher aan de CE-eisen en aan de vereisten van UL, CSA en RoHs.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicators: