Hielscher Ultrasonics
We bespreken graag uw proces.
Bel ons: +49 3328 437-420
Mail ons: info@hielscher.com

Ultrasoon voor de recycling van lithium-ionbatterijen

  • Lithium-ionbatterijen die in elektrische auto's worden gebruikt, komen nu pas op de massamarkt en daarom moeten er recyclingcapaciteiten worden ontwikkeld.
  • Ultrasoon uitlogen is een efficiënte, milieuvriendelijke techniek om metalen zoals Li, Mg, Co, Ni enz. terug te winnen uit gebruikte Li-ion-batterijen.
  • Hielscher industriële ultrasone systemen voor uitlogingstoepassingen zijn betrouwbaar en robuust en kunnen eenvoudig worden geïntegreerd in bestaande recyclinginstallaties.

Recycling van lithium-ionbatterijen

Lithium-ion batterijen worden veel gebruikt in elektrische voertuigen (EV), laptops en mobiele telefoons. Dit betekent dat gebruikte lithium-ion-batterijen een actuele uitdaging vormen op het gebied van afvalbeheer en recycling. De batterijen zijn een belangrijke kostenfactor voor EV's en de verwijdering ervan is ook duur. Milieu- en economische aspecten pleiten voor een gesloten recyclingkringloop omdat het batterijafval waardevolle materialen bevat en helpt om de koolstofvoetafdruk van de productie van lithium-ionbatterijen te verminderen.
Het recyclen van Li-ion-batterijen groeit uit tot een bloeiende industriesector om de toekomstige beschikbaarheid van zeldzame aardmetalen en andere batterijcomponenten te garanderen en om de milieukosten van mijnbouw te verlagen.

Informatieaanvraag




Let op onze privacybeleid.




Hielscher's ultrasone machines zijn betrouwbare en robuuste systemen voor het uitlogen van metalen.

48kW ultrasone processor
voor veeleisende toepassingen zoals het uitlogen van metalen

Pyrometallurgische en hydrometallurgische recycling vs ultrasone batterijrecycling

Hieronder vergelijken we de conventionele methoden van pyrometallurgische en hydrometallurgische processen met de ultrasone uitlogingstechniek wat betreft voor- en nadelen.

De nadelen van conventionele batterijrecycling

Traditionele methoden die worden gebruikt voor het recyclen van lithium-ionbatterijen zijn pyrometallurgische en hydrometallurgische processen.
 
Pyrometallurgische methoden zijn processen met hoge temperaturen zoals smelten of verbranden. De batterijen worden blootgesteld aan extreme hitte, waardoor de organische componenten verbranden en de resterende metalen componenten worden gesmolten en gescheiden. Deze methoden hebben echter een aantal nadelen:

  • Milieu-impact: Bij pyrometallurgische processen komen schadelijke emissies en verontreinigende stoffen vrij in de atmosfeer, wat bijdraagt aan de luchtvervuiling en mogelijk gezondheidsrisico's met zich meebrengt.
  • Verlies van materialen: Processen op hoge temperatuur kunnen leiden tot het verlies van waardevolle materialen en metalen door thermische degradatie, waardoor het algehele terugwinningspercentage daalt.
  • Energie-intensief: Deze methoden vereisen meestal een aanzienlijke energie-input, waardoor de operationele kosten en de ecologische voetafdruk toenemen.

 
Hydrometallurgische methoden waarbij chemische logen worden gebruikt om de batterijcomponenten op te lossen en waardevolle metalen te extraheren. Hoewel dit milieuvriendelijker is dan pyrometallurgische methoden, heeft hydrometallurgie ook nadelen:

  • Chemisch gebruik: Sterke zuren of andere bijtende chemicaliën zijn nodig voor het uitlogen, wat zorgen oproept over chemische behandeling, afvalbeheer en mogelijke milieuverontreiniging.
  • Selectiviteitsuitdagingen: Het kan moeilijk zijn om de gewenste metalen selectief uit te logen, wat leidt tot lagere terugwinningspercentages en mogelijk verlies van waardevolle bronnen.

 

Voordelen van ultrasoon uitlogen van batterijen ten opzichte van conventionele technieken

In vergelijking met pyrometallurgische en hydrometallurgische recyclingtechnieken is de ultrasone batterijrecyclingtechniek beter vanwege verschillende voordelen:

  1. Verbeterde efficiëntie: Ultrasone sonicatie kan de afbraak van batterijmaterialen versnellen, wat resulteert in kortere verwerkingstijden en een hogere algehele efficiëntie.
  2. Verbeterde herstelpercentages: De gecontroleerde toepassing van ultrasone cavitatie verbetert de afbraak van batterijonderdelen, waardoor waardevolle metalen sneller worden teruggewonnen.
  3. Milieuvriendelijk: Ultrasoon recyclen vermindert de afhankelijkheid van hoge temperaturen en agressieve chemicaliën, minimaliseert de impact op het milieu en verlaagt de uitstoot van verontreinigende stoffen.
  4. Selectief uitlogen: De gecontroleerde toepassing van ultrageluid maakt gerichte verstoring van specifieke componenten binnen de batterij mogelijk, waardoor ze efficiënt worden gescheiden. Aangezien verschillende recyclebare batterijsamenstellingen worden verwijderd en opgelost onder specifieke ultrasone intensiteiten, maken geoptimaliseerde verwerkingsparameters een selectieve uitloging van afzonderlijke materialen mogelijk. Dit vergemakkelijkt de efficiënte scheiding van waardevolle metalen en materialen.
  5. Lager energieverbruik: Vergeleken met hydrometallurgische en vooral pyrometallurgische methoden is ultrasone recycling over het algemeen energiezuiniger, wat leidt tot lagere operationele kosten en een kleinere koolstofvoetafdruk.
  6. Schaalbaarheid en flexibiliteit: Ultrasone systemen kunnen eenvoudig op- of afgeschaald worden om te voldoen aan verschillende batterijgroottes en productiecapaciteiten. Bovendien kunnen ultrasone systemen voor batterijrecycling gemakkelijk worden geïntegreerd in reeds bestaande faciliteiten voor batterijrecycling. Ultrasone systemen zijn verkrijgbaar met verschillende vermogensschalen en bijpassende accessoires zoals ultrasone sondes en flowcelreactoren. Ultrasone systemen kunnen batterijen van verschillende afmetingen en met verschillende productiecapaciteiten verwerken, waardoor schaalbaarheid en aanpassingsvermogen in recyclingprocessen mogelijk zijn.
  7. Synergetische integratie: Ultrasoon uitlogen kan worden geïntegreerd in bestaande hydrometallurgische recyclinglijnen voor batterijen om het hydrometallurgisch uitlogen van waardevolle metalen en materialen uit gebruikte Li-ion-batterijen te intensiveren en te verbeteren.

Over het geheel genomen is ultrasone batterijrecycling veelbelovend als milieuvriendelijkere, efficiëntere en selectievere methode dan de traditionele pyrometallurgische en hydrometallurgische benaderingen.

 

Krachtige ultrasone cavitatie bij Hielscher Cascatrode

Krachtige ultrasone cavitatie bij Hielscher Cascatrode

 

Informatieaanvraag




Let op onze privacybeleid.




Industrieel ultrasoon uitlogen voor het terugwinnen van metaal uit gebruikte batterijen

Ultrasoon logen en metaalextractie kunnen worden toegepast op recyclingprocessen van lithium-kobaltoxidebatterijen (bijv. van laptops, smartphones, enz.) en van complexe lithium-nikkel-mangaan-kobaltbatterijen (bijv. van elektrische voertuigen).
Industriële ultrasone reactor met meerdere sondes voor het terugwinnen van metalen uit gebruikte Li-ion-batterijen. Ultrasoon uitlogen geeft een hoog terugwinningsrendement van lithium, kobalt, koper, aluminium en nikkel.Ultrasoon geluid met hoog vermogen staat bekend om zijn vermogen om chemische vloeistoffen en slurries te verwerken om de massaoverdracht te verbeteren en chemische reacties op gang te brengen.
De intense effecten van krachtige ultrasone trillingen zijn gebaseerd op het fenomeen van akoestische cavitatie. Door ultrageluid met een hoog vermogen te koppelen aan vloeistoffen/slurries, genereren de afwisselende lagedruk- en hogedrukgolven in vloeistoffen kleine vacuümbellen. De kleine vacuümbellen groeien gedurende verschillende lagedruk- / hogedrukcycli totdat ze heftig imploderen. De instortende vacuümbellen kunnen worden beschouwd als microreactoren waarin temperaturen tot 5000 K, drukken tot 1000 atm en verhittings- en afkoelsnelheden van meer dan 10 % voorkomen.-10 optreden. Bovendien worden sterke hydrodynamische schuifkrachten en vloeistofstralen met snelheden tot 280 m/s opgewekt. Deze extreme omstandigheden van akoestische cavitatie creëren buitengewone fysische en chemische omstandigheden in anders koude vloeistoffen en creëren een gunstige omgeving voor chemische reacties (zgn. sonochemie).

Ultrasoon uitlogen bij de recycling van gebruikte Li-Ion-batterijen. (Klik om te vergroten!)

Ultrasone uitloging van metalen uit uitgeput batterijafval.

Ultrasoon gegenereerde cavitatie kan thermolyse van opgeloste stoffen veroorzaken, evenals de vorming van zeer reactieve radicalen en reagentia, zoals vrije radicalen, hydroxide-ionen (-OH,) hydronium (H3O+) etc., die zorgen voor buitengewone reactieve omstandigheden in de vloeistof zodat de reactiesnelheid aanzienlijk wordt verhoogd. Vaste stoffen zoals deeltjes worden versneld door de vloeistofstralen en worden gemalen door interparticulaire botsing en abrasie waardoor het actieve oppervlak en daarmee de massaoverdracht toeneemt.
Het grote voordeel van ultrasoon logen en metaalterugwinning is de nauwkeurige controle over de procesparameters zoals amplitude, druk en temperatuur. Deze parameters maken het mogelijk om de reactieomstandigheden precies aan te passen aan het procesmedium en de beoogde output. Bovendien verwijdert ultrasoon uitlogen zelfs de kleinste metaaldeeltjes uit het substraat, terwijl de microstructuren behouden blijven. De verbeterde metaalterugwinning is te danken aan de ultrasone creatie van zeer reactieve oppervlakken, verhoogde reactiesnelheden en verbeterd massatransport. Sonische processen kunnen worden geoptimaliseerd door elke parameter te beïnvloeden en zijn daarom niet alleen zeer effectief maar ook zeer energiezuinig.
De exacte parameterregeling en energie-efficiëntie maken ultrasoon uitlogen tot de gunstige en uitmuntende techniek. – vooral in vergelijking met gecompliceerde zure uitlogings- en chelatietechnieken.

Ultrasoon herstel van LiCoO2 uit gebruikte lithium-ionbatterijen

Ultrasoonbehandeling helpt bij reductief uitlogen en chemische precipitatie, die worden gebruikt om Li terug te winnen als Li2CO3 en Co als Co(OH)2 uit afgedankte lithium-ionbatterijen.
Zhang et al. (2014) rapporteren de succesvolle terugwinning van LiCoO2 met behulp van een ultrasone reactor. Om de startoplossing van 600 ml te bereiden, plaatsten ze 10 g ongeldig LiCoO2 poeder in een bekerglas en voegde 2,0mol/L LiOH-oplossing toe, die werden gemengd.
Het mengsel werd in de ultrasone bestraling gegoten en het roerapparaat startte, het roerapparaat werd in het inwendige van de reactiecontainer geplaatst. Het werd verwarmd tot 120◦C, en toen de Ultrasoon apparaat was ingesteld op 800 W en de ultrasone werkingsmodus was ingesteld op gepulseerde duty cycles van 5 sec. AAN / 2 sec. UIT. De ultrasone bestraling werd gedurende 6 uur toegepast, waarna het reactiemengsel afkoelde tot kamertemperatuur. Het vaste residu werd verschillende keren gewassen met gedeïoniseerd water en gedroogd bij 80◦C tot constant gewicht. Het verkregen monster werd verzameld voor verdere testen en batterijproductie. De laadcapaciteit in de eerste cyclus is 134,2mAh/g en de ontlaadcapaciteit is 133,5mAh/g. De efficiëntie van de eerste keer laden en ontladen was 99,5%. Na 40 cycli is de ontlaadcapaciteit nog steeds 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

Ultrasoonbehandeling van het proby-type verbetert het uitlogen en terugwinnen van edele metalen en materialen uit gebruikte Li-ion-batterijen. Hielscher Ultrasonics levert kant-en-klare ultrasone apparaten die klaar zijn voor installatie in batterijrecyclinginstallaties voor een verbeterde recyclingopbrengst.

Gebruikte LiCoO2 kristallen voor (a) en na (b) ultrasone behandeling bij 120◦C gedurende 6 uur.
Studie en afbeeldingen: ©Zhang et al. 2014

 
Ultrasoon uitlogen met organische zuren zoals citroenzuur is niet alleen effectief maar ook milieuvriendelijk. Onderzoek wees uit dat het uitlogen van Co en Li efficiënter is met citroenzuur dan met de anorganische zuren H2SO4 en HCl. Meer dan 96% Co en bijna 100% Li werden teruggewonnen uit gebruikte lithium-ion batterijen. Het feit dat organische zuren zoals citroenzuur en azijnzuur goedkoop en biologisch afbreekbaar zijn, draagt bij aan verdere economische en milieuvoordelen van sonicatie.

Industriële ultrasoontechnologie met hoog vermogen voor het uitlogen van metalen uit gebruikte batterijen

UIP4000hdT - Hielscher's 4kW ultrasoon systeem met hoge prestaties Hielscher Ultrasonics is uw jarenlange leverancier van zeer efficiënte en betrouwbare ultrasone systemen, die het vereiste vermogen leveren om metalen uit afvalmaterialen te logen. Om li-ion batterijen op te werken door metalen zoals kobalt, lithium, nikkel en mangaan te extraheren, zijn krachtige en robuuste ultrasone systemen essentieel. Hielscher Ultrasonics industriële units zoals de UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) en UIP16000 (16kW) zijn de krachtigste en meest robuuste ultrasone systemen met hoge prestaties op de markt. Al onze industriële units kunnen continu worden gebruikt met zeer hoge amplitudes tot 200 µm in 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden verkrijgbaar. De robuustheid van de Hielscher ultrasoonapparatuur maakt een 24/7 werking mogelijk bij zware belasting en in veeleisende omgevingen. Hielscher levert ook speciale sonotroden en reactoren voor hoge temperaturen, drukken en corrosieve vloeistoffen. Dit maakt onze industriële ultrasoonapparatuur uitermate geschikt voor extractieve metallurgietechnieken, zoals hydrometallurgische behandelingen.

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

Batchvolume Debiet Aanbevolen apparaten
0.1 tot 20L 0.2 tot 4L/min UIP2000hdT
10 tot 100 liter 2 tot 10 l/min UIP4000hdT
20 tot 200 liter 4 tot 20 l/min UIP6000hdT
n.v.t. 10 tot 100 l/min UIP16000
n.v.t. groter cluster van UIP16000

Neem contact met ons op! / Vraag het ons!

Gebruik het onderstaande formulier als u meer informatie wilt over ultrasoon homogeniseren. We bieden u graag een ultrasoon systeem dat aan uw eisen voldoet.









Let op onze privacybeleid.






Wetenswaardigheden

Lithium-ion batterijen

Lithium-ion batterijen (LIB) is de verzamelnaam voor (oplaadbare) batterijen met een hoge energiedichtheid die vaak worden ingebouwd in consumentenelektronica zoals elektronische auto's, hybride auto's, laptops, mobiele telefoons, iPods, enz. In vergelijking met andere varianten van oplaadbare batterijen met vergelijkbare afmetingen en capaciteit, zijn LIB's aanzienlijk lichter.
In tegenstelling tot de primaire lithiumaccu voor eenmalig gebruik, maakt een LIB gebruik van intercalated lithiumverbinding in plaats van metallisch lithium als elektrode. De belangrijkste onderdelen van een lithium-ion-accu zijn de elektrodes – anode en kathode – en de elektrolyt.
De meeste cellen hebben gemeenschappelijke componenten zoals elektrolyt, separator, folies en behuizing. Het grootste verschil tussen de celtechnologieën is het materiaal dat wordt gebruikt als “actieve materialen” zoals kathode en anode. Grafiet is het meest gebruikte materiaal als anode, terwijl de kathode wordt gemaakt van gelaagd LiMO2 (M = Mn, Co en Ni), spinel LiMn2O4of olivijn LiFePO4. De elektrolyt organische vloeibare elektrolyten (bijv. LiPF6 zout opgelost in een mengsel van organische oplosmiddelen, zoals ethyleencarbonaat (EC), dimethylcarbonaat (DMC), diethylcarbonaat (DEC), ethylmethylcarbonaat (EMC), etc.) zorgt voor ionische beweging.
Afhankelijk van de positieve (kathode) en negatieve (anode) elektrodematerialen variëren respectievelijk de energiedichtheid en de spanning van LIBs.
Bij gebruik in elektrische voertuigen wordt vaak een elektrische-voertuigbatterij (EVB) of tractiebatterij gebruikt. Dergelijke tractiebatterijen worden gebruikt in vorkheftrucks, elektrische golfkarretjes, vloerschrobmachines, elektrische motorfietsen, elektrische auto's, vrachtwagens, bestelwagens en andere elektrische voertuigen.

Metaalrecycling uit gebruikte Li-Ion-batterijen

In vergelijking met andere soorten batterijen die vaak lood of cadmium bevatten, bevatten Li-ion-batterijen minder giftige metalen en worden ze daarom als milieuvriendelijk beschouwd. De enorme hoeveelheid gebruikte Li-ion-batterijen, die net als gebruikte batterijen van elektrische auto's moeten worden weggegooid, vormt echter een afvalprobleem. Daarom is een gesloten recyclagekringloop van Li-ion-batterijen noodzakelijk. Vanuit economisch oogpunt kunnen metaalelementen zoals ijzer, koper, nikkel, kobalt en lithium worden teruggewonnen en opnieuw worden gebruikt bij de productie van nieuwe batterijen. Recycling kan ook een toekomstig tekort voorkomen.
Hoewel er batterijen met een hoger nikkelgehalte op de markt komen, is het niet mogelijk om batterijen zonder kobalt te produceren. Het hogere nikkelgehalte heeft een prijs: Met een hoger nikkelgehalte neemt de stabiliteit van de accu af en daarmee ook de levensduur en het vermogen om snel op te laden.

Groeiende vraag naar Li-ion-batterijen. Bron: Deutsche Bank

Groeiende vraag naar Li-ion-batterijen vraagt om toenemende recyclingcapaciteit voor afgedankte batterijen.

Recyclageproces

Accu's van elektrische voertuigen zoals de Tesla Roadster hebben een levensduur van ongeveer 10 jaar.
Het recyclen van lege Li-ion-batterijen is een veeleisend proces omdat er hoogspanning en gevaarlijke chemicaliën bij komen kijken, wat risico's met zich meebrengt op thermische runaway, elektrische schokken en de uitstoot van gevaarlijke stoffen.
Om een gesloten recyclagekringloop tot stand te brengen, moeten elke chemische verbinding en alle elementen worden gescheiden in hun afzonderlijke fracties. De energie die nodig is voor een dergelijke gesloten kringlooprecycling is echter erg duur. De meest waardevolle materialen voor terugwinning zijn metalen zoals Ni, Co, Cu, Li, enz. aangezien dure mijnbouw en hoge marktprijzen van metaalcomponenten de recycling economisch aantrekkelijk maken.
Het recyclingproces van Li-ion-batterijen begint met het ontmantelen en ontladen van de batterijen. Voordat de batterij wordt geopend, is passivering nodig om de chemicaliën in de batterij te inactiveren. Passivering kan worden bereikt door cryogene bevriezing of gecontroleerde oxidatie. Afhankelijk van de grootte van de batterij kunnen de batterijen worden ontmanteld en gedemonteerd tot op de cel. Na het ontmantelen en breken worden de componenten geïsoleerd door middel van verschillende methoden (zoals zeven, zeven, handpicking, magnetische, natte en ballistische scheiding) om celomhulsels, aluminium, koper en kunststoffen uit het elektrodepoeder te verwijderen. De scheiding van het elektrodemateriaal is noodzakelijk voor de downstreamprocessen, zoals hydrometallurgische behandeling.
pyrolyse
Voor pyrolytische verwerking worden versnipperde batterijen gesmolten in een oven waar kalksteen wordt toegevoegd als slakvormer.

Hydrothermale processen
Hydrometallurgische verwerking is gebaseerd op zure reacties om de zouten als metalen neer te slaan. Typische hydrometallurgische processen zijn uitloging, precipitatie, ionenuitwisseling, vloeistofextractie en elektrolyse van waterige oplossingen.
Het voordeel van hydrothermische verwerking is de hoge terugwinningsopbrengst van +95% van Ni en Co als zouten, +90% van Li kan worden neergeslagen en de rest kan tot +80% worden teruggewonnen.

Vooral kobalt is een kritische component in kathodes van lithium-ionbatterijen voor toepassingen met veel energie en vermogen.
De huidige hybride auto's, zoals de Toyota Prius, maken gebruik van nikkel-metaalhydride accu's, die op dezelfde manier als Li-ion accu's worden ontmanteld, ontladen en gerecycled.

Literatuur/referenties

  • 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.

Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone apparaten.

Krachtige sonicatie van laboratorium en bench-top tot industriële productie.

We bespreken graag uw proces.

Let's get in contact.