Ultrasone technologie voor de recycling van lithium-ionbatterijen

• Lithium-ionbatterijen die in elektrische auto’s worden gebruikt, bereiken nu pas de massamarkt, en daarmee moet ook recyclingcapaciteit worden ontwikkeld.
• Ultrasoon uitlogen is een efficiënte, milieuvriendelijke techniek om metalen zoals Li, Mg, Co, Ni enz. terug te winnen uit gebruikte Li-ionbatterijen.
• De industriële ultrasone systemen van Hielscher voor uitloogtoepassingen zijn betrouwbaar en robuust en kunnen eenvoudig in bestaande recyclinginstallaties worden geïntegreerd.

Recycling van lithium-ionbatterijen

Lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt in elektrische voertuigen (EV), laptops en mobiele telefoons. Dit betekent dat gebruikte lithium-ionbatterijen momenteel een uitdaging vormen voor afvalbeheer en recycling. De batterijen zijn een belangrijke kostenfactor voor EV’s, en ook de afvoer ervan is duur. Milieu- en economische overwegingen stimuleren een gesloten recyclingkringloop, omdat het batterijafval waardevolle materialen bevat en helpt de koolstofvoetafdruk van de productie van lithium-ionbatterijen te verkleinen.
De recycling van Li-ionbatterijen groeit uit tot een bloeiende industriesector om de toekomstige beschikbaarheid van zeldzame aardmetalen en andere batterijcomponenten te waarborgen en de milieukosten van mijnbouw te verminderen.

Pyrometallurgische en hydrometallurgische recycling versus ultrasone batterijrecycling

Hieronder vergelijken we de conventionele pyrometallurgische en hydrometallurgische processen met de ultrasone uitloogtechniek wat betreft hun voordelen en nadelen.

De nadelen van conventionele batterijrecycling

Traditionele methoden voor de recycling van lithium-ionbatterijen omvatten pyrometallurgische en hydrometallurgische processen.
 
Pyrometallurgische methoden omvatten processen bij hoge temperaturen, zoals smelten of verbranden. De batterijen worden aan extreme hitte blootgesteld, waardoor de organische componenten verbranden. De resterende metalen componenten worden gesmolten en gescheiden. Deze methoden hebben echter enkele nadelen:

• Milieu-impact: Pyrometallurgische processen brengen schadelijke emissies en verontreinigende stoffen in de atmosfeer, wat bijdraagt aan luchtvervuiling en mogelijk gezondheidsrisico’s veroorzaakt.
• Materiaalverlies: Processen bij hoge temperaturen kunnen door thermische degradatie leiden tot verlies van waardevolle materialen en metalen, waardoor het totale terugwinningspercentage afneemt.
• Energie-intensief: Deze methoden vereisen doorgaans een aanzienlijke energietoevoer, waardoor de operationele kosten en de milieuvoetafdruk toenemen.

 
Hydrometallurgische methoden omvatten chemisch uitlogen om de batterijcomponenten op te lossen en waardevolle metalen te extraheren. Hoewel hydrometallurgie milieuvriendelijker is dan pyrometallurgische methoden, heeft deze haar eigen nadelen:

• Gebruik van chemicaliën: Voor het uitlogen zijn sterke zuren of andere corrosieve chemicaliën nodig, wat zorgen oproept over de omgang met chemicaliën, afvalbeheer en mogelijke milieuverontreiniging.
• Uitdagingen bij selectiviteit: Het selectief uitlogen van de gewenste metalen kan moeilijk zijn, wat leidt tot lagere terugwinningspercentages en mogelijk verlies van waardevolle grondstoffen.

 

Voordelen van ultrasoon uitlogen van batterijen ten opzichte van conventionele technieken

Vergeleken met zowel pyrometallurgische als hydrometallurgische recyclingtechnieken presteert ultrasone batterijrecycling beter dankzij verschillende voordelen:

1. Verhoogde efficiëntie: Ultrasone sonicatie kan de afbraak van batterijmaterialen versnellen, wat resulteert in kortere verwerkingstijden en een hogere totale efficiëntie.
2. Verbeterde terugwinningspercentages: De gecontroleerde toepassing van ultrasone cavitatie bevordert de afbraak van batterijcomponenten, waardoor de terugwinningspercentages van waardevolle metalen toenemen.
3. Milieuvriendelijk: Ultrasone recycling vermindert de afhankelijkheid van hoge temperaturen en agressieve chemicaliën, waardoor de milieu-impact wordt geminimaliseerd en de uitstoot van verontreinigende stoffen afneemt.
4. Selectief uitlogen: De gecontroleerde toepassing van ultrasoon geluid maakt het mogelijk specifieke componenten in de batterij gericht af te breken en efficiënt te scheiden. Omdat verschillende recyclebare batterijverbindingen bij specifieke ultrasone intensiteiten worden verwijderd en opgelost, maken geoptimaliseerde procesparameters het selectief uitlogen van afzonderlijke materialen mogelijk. Dit vergemakkelijkt de efficiënte scheiding van waardevolle metalen en materialen.
5. Verminderd energieverbruik: Vergeleken met hydrometallurgische en vooral pyrometallurgische methoden is ultrasone recycling doorgaans energie-efficiënter, wat leidt tot lagere operationele kosten en een kleinere koolstofvoetafdruk.
6. Schaalbaarheid en flexibiliteit: Ultrasone systemen kunnen eenvoudig worden opgeschaald of afgeschaald om aan verschillende batterijformaten en productiecapaciteiten te voldoen. Bovendien kunnen sonicatoren voor batterijrecycling eenvoudig worden geïntegreerd in reeds bestaande installaties voor batterijrecycling. Sonicatoren zijn direct verkrijgbaar in verschillende vermogensklassen, met bijpassende accessoires zoals ultrasone sondes en doorstroomcelreactoren, en kunnen batterijcomponenten van verschillende afmetingen en bij verschillende productiecapaciteiten verwerken. Dit biedt schaalbaarheid en aanpasbaarheid in recyclingprocessen.
7. Synergetische integratie: Ultrasoon uitlogen kan in bestaande hydrometallurgische lijnen voor batterijrecycling worden geïntegreerd om het hydrometallurgisch uitlogen van waardevolle metalen en materialen uit gebruikte Li-ionbatterijen te intensiveren en te verbeteren.

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

 

Industrieel ultrasoon uitlogen voor metaalterugwinning uit gebruikte batterijen

Ultrasoon uitlogen en metaalextractie kunnen worden toegepast in recyclingprocessen voor lithiumkobaltoxidebatterijen (bijv. uit laptops, smartphones enz.) en voor complexe lithium-nikkel-mangaan-kobaltbatterijen (bijv. uit elektrische voertuigen).
Ultrasoon geluid met hoog vermogen staat bekend om zijn vermogen om chemische vloeistoffen en slurries te verwerken, de massaoverdracht te verbeteren en chemische reacties op gang te brengen.
De intense effecten van sonicatie met hoog vermogen zijn gebaseerd op het verschijnsel akoestische cavitatie. Door ultrasoon geluid met hoog vermogen in vloeistoffen / slurries te koppelen, genereren de afwisselende lagedruk- en hogedrukgolven in vloeistoffen kleine vacuümbellen. Deze kleine vacuümholtes groeien gedurende meerdere lagedruk- / hogedrukcycli totdat ze hevig imploderen. De imploderende vacuümbellen kunnen worden beschouwd als microreactoren waarin temperaturen tot 5000K, drukken tot 1000atm en verwarmings- en koelsnelheden boven 10^-10 optreden. Bovendien ontstaan sterke hydrodynamische afschuifkrachten en vloeistofstralen met snelheden tot 280m/s. Deze extreme omstandigheden van akoestische cavitatie creëren buitengewone fysische en chemische omstandigheden in verder koude vloeistoffen en vormen een gunstige omgeving voor chemische reacties (zogeheten sonochemie).

Ultrasoon gegenereerde cavitatie kan thermolyse van opgeloste stoffen veroorzaken, evenals de vorming van zeer reactieve radicalen en reagentia, zoals vrije radicalen, hydroxide-ionen (•OH,) en hydronium (H₃O+) enz., die buitengewoon reactieve omstandigheden in de vloeistof creëren, zodat de reactiesnelheid aanzienlijk toeneemt. Vaste stoffen zoals deeltjes worden door de vloeistofstralen versneld en door botsingen tussen deeltjes en abrasie vermalen, waardoor het actieve oppervlak en daarmee de massaoverdracht toenemen.
Het grote voordeel van ultrasoon uitlogen en metaalterugwinning is de nauwkeurige regeling van procesparameters zoals amplitude, druk en temperatuur. Met deze parameters kunnen de reactieomstandigheden exact worden afgestemd op het procesmedium en de beoogde opbrengst. Bovendien verwijdert ultrasoon uitlogen zelfs de kleinste metaaldeeltjes van het substraat, terwijl microstructuren behouden blijven. De verbeterde metaalterugwinning is te danken aan de ultrasone vorming van zeer reactieve oppervlakken, hogere reactiesnelheden en verbeterd massatransport. Sonicatieprocessen kunnen worden geoptimaliseerd door elke parameter te beïnvloeden en zijn daardoor niet alleen zeer effectief, maar ook zeer energie-efficiënt.
De nauwkeurige parameterregeling en energie-efficiëntie maken ultrasoon uitlogen tot de gunstige en uitblinkende techniek – vooral vergeleken met ingewikkelde technieken voor uitlogen met zuren en chelatie.

Ultrasone terugwinning van LiCoO₂ uit gebruikte lithium-ionbatterijen

Sonicatie ondersteunt 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 uitgangsoplossing van 600mL te bereiden, deden zij 10g onbruikbaar LiCoO₂ in poedervorm in een bekerglas en voegden zij een LiOH-oplossing van 2,0mol/L toe, waarna deze werden gemengd.
Het mengsel werd in de ultrasone bestraling gegoten en het roerapparaat werd gestart; het roerapparaat werd in het reactievat geplaatst. Het werd verwarmd tot 120◦C, en vervolgens werd het ultrasone apparaat ingesteld op 800W en werd de ultrasone werking ingesteld op gepulseerde bedrijfscycli van 5 sec. AAN / 2sec. UIT. De ultrasone bestraling werd gedurende 6h toegepast, waarna het reactiemengsel afkoelde tot kamertemperatuur. Het vaste residu werd meerdere keren gewassen met gedeïoniseerd water en bij 80◦C gedroogd tot constant gewicht. Het verkregen monster werd verzameld voor latere tests en batterijproductie. De laadcapaciteit in de eerste cyclus bedraagt 134,2mAh/g en de ontlaadcapaciteit 133,5mAh/g. Het rendement bij de eerste keer laden en ontladen bedroeg 99,5%. Na 40 cycli bedraagt de ontlaadcapaciteit nog steeds 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

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

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

Hielscher Ultrasonics is uw leverancier met jarenlange ervaring voor zeer efficiënte en betrouwbare ultrasone systemen, die het benodigde vermogen leveren om metalen uit afvalmaterialen uit te logen. Om Li-ionbatterijen opnieuw te verwerken door metalen zoals kobalt, lithium, nikkel en mangaan te extraheren, zijn krachtige en robuuste ultrasone systemen essentieel. De industriële apparaten van Hielscher Ultrasonics, zoals de UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) en UIP16000 (16kW), zijn de krachtigste en robuustste ultrasone systemen met hoge prestaties op de markt. Al onze industriële apparaten kunnen continu met zeer hoge amplitudes tot 200µm in 24/7-bedrijf worden gebruikt. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar. De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-bedrijf onder zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk. Hielscher levert ook speciale sonotrodes en reactoren voor hoge temperaturen, hoge drukken en corrosieve vloeistoffen. Hierdoor zijn onze industriële sonicatoren bij uitstek geschikt voor technieken in de extractieve metallurgie, bijvoorbeeld hydrometallurgische behandelingen.

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren bij benadering:

---

---

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.