Ultrasoontechnologie maakt de recycling van lithium-ionbatterijen efficiënter

Lithium is een schaars en zeer waardevol materiaal dat voorkomt in batterijen met hoge prestaties, zoals Li-ionbatterijen. Lithium is het waardevolste materiaal dat bij de recycling van Li-ionbatterijen wordt teruggewonnen, maar ook andere mineralen en metalen, zoals kobalt, mangaan, nikkel, koper en aluminium, zijn waardevolle metalen om terug te winnen. Ultrasoonbehandeling met hoge intensiteit wordt gebruikt als techniek voor agitatie met hoge afschuiving en uitloging om waardevolle mineralen en metalen uit afgedankte batterijen te extraheren, te verwijderen en op te lossen. De sonicatiemethode is zeer doeltreffend, energie-efficiënt en direct beschikbaar voor installatie in volledig commerciële recyclinginstallaties.

Overzicht: het recyclingproces voor Li-ionbatterijen

Het recyclingproces voor kostbare metalen en materialen uit afgedankte Li-ionbatterijen omvat doorgaans verschillende stappen. Hieronder volgt een algemeen overzicht:

1. Inzameling en sortering: Afgedankte Li-ionbatterijen worden ingezameld en gesorteerd op basis van hun type en chemische samenstelling.
2. Demontage: Eerst wordt de kunststof behuizing van de batterij opengebroken en verwijderd. Daarna wordt de blootgelegde batterij in vloeibare stikstof geplaatst om reactieve, explosieve stoffen te neutraliseren. Deze stap zorgt ervoor dat een plotselinge vrijgave van alle opgeslagen energie en de daarmee samenhangende daaropvolgende ontbranding en explosie worden voorkomen. Vervolgens worden de batterijen gedemonteerd om de verschillende componenten, zoals de kathode, anode, elektrolyt en behuizing, van elkaar te scheiden.
3. Versnippering: De gedemonteerde batterijen worden in kleinere stukken versnipperd om het oppervlak voor de daaropvolgende processen te vergroten.
4. Delaminatie van elektroden: Vóór de behandeling voor metaalextractie moeten de afzonderlijke elektroden, dat wil zeggen de kathode en anode, verder worden gedemonteerd. Omdat het kathodemateriaal doorgaans met een bindmiddel, gewoonlijk polyvinylideenfluoride (PVDF) of polytetrafluorethyleen (PTFE), aan aluminiumfolie is gehecht, is het moeilijk om de kathode en de aluminiumfolie van elkaar te scheiden.
5. Chemische behandeling: De versnipperde batterijcomponenten ondergaan verschillende chemische behandelingen om de verschillende materialen op te lossen en van elkaar te scheiden. Dit kan uitloging met zuur of andere oplosmiddelen omvatten om waardevolle metalen zoals lithium, kobalt, nikkel en koper te extraheren.
6. Terugwinning en zuivering: De opgeloste metalen worden vervolgens uit de oplossing teruggewonnen via processen zoals precipitatie, oplosmiddelextractie of elektrochemische methoden. Deze stappen helpen de kostbare metalen te zuiveren en te concentreren.

Verbeterde terugwinning van kostbare metalen door sonicatie

Krachtig ultrageluid kan de stappen voor delaminatie van elektroden en uitloging van kostbare metalen en materialen verbeteren door de reacties te intensiveren, waardoor het terugwinningsproces aanzienlijk efficiënter wordt. Ultrasoonbehandeling is een techniek die ultrasone golven met hoge intensiteit gebruikt om mechanische trillingen en akoestische cavitatie in een vloeibaar medium op te wekken. De sterke krachten van ultrasoonbehandeling worden op verschillende manieren gebruikt om het recyclingproces voor kostbare metalen uit afgedankte Li-ionbatterijen te verbeteren:
 

1. Desintegratie: Ultrasoonbehandeling breekt de versnipperde batterijmaterialen verder af, waardoor kleinere deeltjes ontstaan. Kleinere deeltjes bieden een groter oppervlak, waardoor de chemische uitloging doeltreffender wordt en waardevolle metalen gemakkelijker vrijkomen.
2. Verbeterde uitloging: De toepassing van ultrasoonbehandeling tijdens uitlogingsprocessen kan het contact tussen het vaste materiaal en de uitloogoplossing verbeteren, waardoor de efficiëntie van de metaalextractie toeneemt. Ultrasone uitloging bevordert de metaalextractie en verhoogt de opbrengst aan teruggewonnen metalen en mineralen, zoals kobalt, mangaan, nikkel, koper en aluminium.
3. Verbeterde delaminatie van elektroden: Het doel van delaminatie van elektroden tijdens batterijrecycling is om de verschillende componenten, zoals elektroden, elektrolyten en separatoren, van elkaar te scheiden, zodat ze afzonderlijk verder kunnen worden verwerkt of gerecycled. Ultrasoonbehandeling helpt bij het losmaken en verwijderen van coatings van de elektrode. Sonomechanische krachten bevorderen een efficiënte scheiding van de lagen van de elektroden.
4. Versnelde reacties: Ultrasoonbehandeling bevordert sneller en grondiger mengen, wat chemische reacties tijdens de stappen voor metaalterugwinning en zuivering kan versnellen.
5. Lager energieverbruik: Ultrasoonbehandeling kan de procesefficiëntie verbeteren, waardoor minder tijd en energie nodig zijn voor de terugwinning van metalen uit afgedankte batterijen.

 
Ultrasoonbehandeling kan een gunstige rol spelen bij het verbeteren van het recyclingproces voor kostbare metalen en materialen uit afgedankte Li-ionbatterijen door de doeltreffendheid en efficiëntie van verschillende stappen in het recyclingproces te verhogen.
De processtappen voor ultrasone metaaluitloging en delaminatie van elektroden kunnen worden aangepast aan afzonderlijke recyclingprocessen. Deze kunnen variëren doordat bedrijven die gespecialiseerd zijn in de recycling van Li-ionbatterijen hun processen ontwikkelen en aanpassen om de hoogste efficiëntie te bereiken.

Ultrasone cavitatie voor kathodescheiding

Ultrasoonbehandeling scheidt kathodematerialen van aluminiumfolie door de effecten van akoestische cavitatie. Akoestische of ultrasone cavitatie wordt gekenmerkt door lokaal optredende hoge drukken, hoge temperaturen en de daaropvolgende dalingen daarvan, die respectievelijk druk- en temperatuurverschillen veroorzaken, evenals intense microturbulentie en microjets met hoge afschuiving. Deze cavitatiekrachten werken in op grensvlakken, bevorderen de massaoverdracht en veroorzaken erosie. Door zulke intense krachten van chemische, fysische, thermische en mechanische aard op te wekken, zorgt ultrasone cavitatie voor de agitatie en massaoverdracht die nodig zijn om de structuur van het organische bindmiddel af te breken dat in lithium-ionbatterijen wordt gebruikt om de kathode aan de stroomcollector / aluminiumfolie te bevestigen.
Terwijl mechanische agitatie, zoals alleen roeren, onvoldoende is om het kathodemateriaal doeltreffend van de aluminiumfolie los te maken, levert ultrasoonbehandeling met hoge intensiteit de benodigde sonochemische en sonomechanische energie om het kathodemateriaal volledig van de stroomcollectoren te verwijderen. In tegenstelling tot mechanisch roeren genereert ultrasone cavitatie intense turbulentie, lokaal hoge temperaturen en drukken, evenals agitatie, stroming en vloeistofjets. Deze breken het bindmiddel af, bijvoorbeeld PVDF of PTFE, dat de kathode met de Al-folie verbindt, en eroderen het oppervlak van zowel de kathode als de Al-folie. Daardoor wordt het bindmiddel tussen beide materialen grondig afgebroken en worden de kathode en de aluminiumfolie doeltreffend van elkaar gescheiden.
Ultrasone scheiding resulteert bijvoorbeeld in een hoge efficiëntie van 99% bij het verwijderen van de kathode wanneer N-methyl-2-pyrrolidon (NMP) als oplosmiddel wordt gebruikt bij 70°C (240 W ultrasoon vermogen en 90 min ultrasone verwerkingstijd). Omdat ultrasone kathodescheiding het materiaal gelijkmatig dispergeert en grotere agglomeraten voorkomt, wordt het daaropvolgende metaaluitlogingsproces vergemakkelijkt.
Lees meer over ultrasone delaminatie van elektroden voor de terugwinning van actieve materialen en stroomcollectorfolies!

Ultrasone uitloging van mineralen

De hierboven beschreven ultrasone cavitatie-effecten bevorderen ook de uitloging van metalen uit afgedankte batterijen. Ultrasoonbehandeling met hoge intensiteit wordt niet alleen gebruikt om mineralen terug te winnen bij batterijrecycling, maar wordt ook vaak toegepast in de hydrometallurgie en bij de uitloging van waardevolle ertsen (bijvoorbeeld mijnbouwresiduen). De hoge lokale temperaturen, drukken en afschuifkrachten intensiveren de metaaluitloging en verhogen de uitlogingsefficiëntie aanzienlijk. Terwijl in de cavitatiehotspots plaatselijk zeer extreme temperaturen tot 1000 K optreden, vereisen de algemene uitlogingsomstandigheden slechts een milde temperatuur van ongeveer 50–60°C. Dit maakt ultrasone metaalterugwinning energie-efficiënt en economisch.
Ultrasone uitloging van mineralen uit afgedankte Li-ionbatterijen wordt gekenmerkt door hoge terugwinningspercentages en efficiëntie. Zo werd zwavelzuur (H2SO4) met succes gebruikt als uitloogmiddel in aanwezigheid van waterstofperoxide (H2O2) tijdens ultrasone terugwinning van mineralen uit de kathode. Ultrasone uitloging met zwavelzuur resulteerde in terugwinningspercentages van respectievelijk 94,63% voor kobalt en 98,62% voor lithium.
Ultrasone uitloging met organisch citroenzuur (C6H8O7·H2O) resulteert in zeer hoge terugwinningspercentages voor koper en lithium, waarbij 96% van het koper en bijna 100% van het lithium uit de afgedankte Li-ionbatterijen wordt teruggewonnen.

Eenvoudig en veilig: ultrasone opschaling van haalbaarheidstests naar industriële recycling

Ultrasone apparatuur met hoge prestaties voor de recycling van Li-ionbatterijen is direct beschikbaar voor installatie op werkbankschaal, pilotschaal en industriële schaal. Omdat ultrasone kathodescheiding en ultrasone uitloging van mineralen uit afgedankte batterijen al gevestigde processen zijn, verloopt het traject van de eerste proeven via optimalisatie voor uw specifieke procesvereisten tot de installatie van een volledig industrieel ultrasoon scheidings- en/of uitlogingssysteem snel en eenvoudig.
Lees meer over de voordelen van ultrasone uitloging voor duurzame batterijrecycling en urban mining!

Ultrasoonapparaten met hoge prestaties voor batterijrecycling

Hielscher Ultrasonics levert ultrasoonapparaten met hoge prestaties in elke grootte en capaciteit. Met de UIP16000 (16kW) produceert Hielscher de krachtigste ultrasone processor ter wereld. De UIP16000 en alle andere industriële ultrasone systemen kunnen eenvoudig in clusters worden gecombineerd om de vereiste verwerkingscapaciteit te bereiken. Alle ultrasoonapparaten van Hielscher zijn gebouwd voor 24/7-bedrijf onder volledige belasting en in veeleisende omgevingen.
De industriële ultrasone processors van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast in 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar.

Ultrasone sondes en sonoreactoren voor elk volume

Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige spectrum van ultrasone processors, van compacte ultrasoonapparaten voor het laboratorium via systemen op werkbank- en pilotschaal tot volledig industriële ultrasone processors met de capaciteit om vrachtwagenladingen per uur te verwerken. Dankzij het volledige productassortiment kunnen wij u de meest geschikte ultrasone apparatuur bieden voor uw toepassing, procescapaciteit en productiedoelen.

Nauwkeurig regelbare amplitudes voor optimale resultaten

Alle ultrasone processors van Hielscher zijn nauwkeurig regelbaar en daardoor betrouwbare werkpaarden in R&D en productie. De amplitude is een van de cruciale procesparameters die de efficiëntie en doeltreffendheid van sonochemisch en sonomechanisch geïnduceerde reacties beïnvloeden. Alle processors van Hielscher Ultrasonics maken een nauwkeurige instelling van de amplitude mogelijk. Sonotrodes en boosterhoorns zijn accessoires waarmee de amplitude binnen een nog groter bereik kan worden aangepast. De industriële ultrasone processors van Hielscher kunnen zeer hoge amplitudes leveren en bieden de vereiste ultrasone intensiteit voor veeleisende toepassingen. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast in 24/7-bedrijf.
Nauwkeurige amplitude-instellingen en permanente bewaking van de ultrasone procesparameters via slimme software bieden u de mogelijkheid om de kathode van de aluminiumfolie te scheiden en mineralen en metalen uit afgedankte Li-ionbatterijen uit te logen onder de meest doeltreffende ultrasone omstandigheden. Optimale sonicatie voor de meest efficiënte recycling van Li-ionbatterijen!
De robuustheid van de ultrasoonapparaten van Hielscher maakt 24/7-bedrijf onder zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk. Daardoor zijn de sonicators van Hielscher betrouwbare werktuigen die aan de vereisten van uw recyclingproces voldoen.

Hoogste kwaliteit – ontworpen en geproduceerd in Duitsland

Als familiebedrijf dat door de familie wordt geleid, geeft Hielscher prioriteit aan de hoogste kwaliteitsnormen voor zijn ultrasone processors. Alle ultrasoonapparaten worden ontworpen, geproduceerd en grondig getest op ons hoofdkantoor in Teltow nabij Berlijn, Duitsland. De robuustheid en betrouwbaarheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maken deze tot een werkpaard in uw productie. 24/7-bedrijf onder volledige belasting en in veeleisende omgevingen is een vanzelfsprekende eigenschap van de ultrasone sondes en reactoren met hoge prestaties van Hielscher.

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

Wetenswaardigheden

Wat zijn lithium-ionbatterijen?

Een lithium-ionbatterij, ook wel Li-ionbatterij genoemd, is een type oplaadbare batterij. In vergelijking met batterijen op basis van lood en nikkel gebruiken lithium-ionbatterijen een kathode, een anode en elektrolyt als geleider.
Net als alle batterijen slaan Li-ionbatterijen chemische energie op, die vervolgens wordt omgezet in elektrische energie om een statische elektrische lading voor de stroomvoorziening te leveren.
Lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt voor draagbare elektronica, zoals laptops en smartphones, en voor elektrische voertuigen. De toepassing van Li-ionbatterijen wekt ook steeds meer belangstelling bij het leger en bij bedrijven in de lucht- en ruimtevaart.