Ultradźwięki zwiększają efektywność recyklingu akumulatorów litowo-jonowych

Lit jest rzadkim i bardzo cennym materiałem występującym w wysokowydajnych akumulatorach, takich jak akumulatory litowo-jonowe. Lit jest najcenniejszym materiałem odzyskiwanym podczas recyklingu akumulatorów litowo-jonowych, ale również inne minerały i metale, takie jak kobalt, mangan, nikiel, miedź i glin, są cennymi surowcami do odzysku. Sonikacja o wysokiej intensywności jest stosowana jako technika mieszania przy dużych siłach ścinających i ługowania w celu ekstrakcji, usuwania i rozpuszczania cennych minerałów i metali ze zużytych akumulatorów. Metoda sonikacji jest bardzo skuteczna, energooszczędna, a urządzenia do jej stosowania są łatwo dostępne i gotowe do instalacji w zakładach recyklingu działających na pełną skalę komercyjną.

Przegląd: proces recyklingu akumulatorów litowo-jonowych

Proces recyklingu cennych metali i materiałów ze zużytych akumulatorów litowo-jonowych zazwyczaj obejmuje kilka etapów. Oto ogólny przegląd:

1. Zbieranie i sortowanie: Zużyte akumulatory litowo-jonowe są zbierane i sortowane według typu i składu chemicznego.
2. Demontaż: Najpierw plastikowa osłona akumulatora jest rozbijana i usuwana. Następnie akumulator pozbawiony osłony umieszcza się w ciekłym azocie w celu zneutralizowania reaktywnych substancji wybuchowych. Etap ten zapewnia zapobieganie nagłemu uwolnieniu całej zmagazynowanej energii oraz związanemu z nim późniejszemu zapłonowi i wybuchowi. Następnie akumulatory są demontowane w celu oddzielenia poszczególnych elementów, takich jak katoda, anoda, elektrolit i obudowa.
3. Rozdrabnianie: Zdemontowane akumulatory są rozdrabniane na mniejsze kawałki, aby zwiększyć powierzchnię dostępną w kolejnych procesach.
4. Delaminacja elektrod: Przed obróbką mającą na celu ekstrakcję metali wydzielone elektrody, czyli katoda i anoda, muszą zostać poddane dalszemu demontażowi. Ponieważ materiał katody jest zazwyczaj przyklejony do folii aluminiowej za pomocą spoiwa, najczęściej polifluorku winylidenu (PVDF) lub politetrafluoroetylenu (PTFE), oddzielenie katody od folii aluminiowej jest trudnym zadaniem.
5. Obróbka chemiczna: Rozdrobnione elementy akumulatorów są poddawane różnym procesom obróbki chemicznej w celu rozpuszczenia i rozdzielenia poszczególnych materiałów. Może to obejmować ługowanie kwasem lub innymi rozpuszczalnikami w celu ekstrakcji cennych metali, takich jak lit, kobalt, nikiel i miedź.
6. Odzysk i oczyszczanie: Rozpuszczone metale są następnie odzyskiwane z roztworu w procesach takich jak strącanie, ekstrakcja rozpuszczalnikowa lub metody elektrochemiczne. Etapy te pomagają oczyszczać i zatężać cenne metale.

Odzysk cennych metali usprawniony dzięki sonikacji

Ultradźwięki dużej mocy mogą usprawniać etapy delaminacji elektrod oraz ługowania cennych metali i materiałów poprzez intensyfikację reakcji, dzięki czemu proces odzysku staje się znacznie bardziej efektywny. Sonikacja to technika wykorzystująca fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności do wytwarzania drgań mechanicznych i kawitacji akustycznej w ośrodku ciekłym. Duże siły powstające podczas sonikacji są wykorzystywane do usprawniania procesu recyklingu cennych metali ze zużytych akumulatorów litowo-jonowych na kilka sposobów:
 

1. Dezintegracja: Sonikacja rozbija rozdrobnione materiały akumulatorów, tworząc mniejsze cząstki. Mniejsze cząstki mają większą powierzchnię, co zwiększa skuteczność ługowania chemicznego i pomaga uwalniać cenne metale.
2. Usprawnione ługowanie: Zastosowanie sonikacji podczas procesów ługowania może poprawić kontakt między materiałem stałym a roztworem ługującym, zwiększając efektywność ekstrakcji metali. Ługowanie ultradźwiękowe wspomaga ekstrakcję metali i zwiększa wydajność odzysku metali i minerałów, takich jak kobalt, mangan, nikiel, miedź i glin.
3. Usprawniona delaminacja elektrod: Celem delaminacji elektrod podczas recyklingu akumulatorów jest rozdzielenie poszczególnych elementów, takich jak elektrody, elektrolity i separatory, aby można je było dalej przetwarzać lub poddawać recyklingowi oddzielnie. Sonikacja wspomaga odrywanie i usuwanie powłok z elektrody. Siły sonomechaniczne sprzyjają efektywnemu rozdzielaniu warstw elektrod.
4. Przyspieszone reakcje: Sonikacja sprzyja szybszemu i dokładniejszemu mieszaniu, co może przyspieszać reakcje chemiczne podczas etapów odzysku i oczyszczania metali.
5. Zmniejszone zużycie energii: Sonikacja może zwiększać efektywność procesu, zmniejszając czas i ilość energii potrzebne do odzysku metali ze zużytych akumulatorów.

 
Sonikacja może korzystnie wpływać na usprawnienie procesu recyklingu cennych metali i materiałów ze zużytych akumulatorów litowo-jonowych poprzez zwiększanie skuteczności i efektywności różnych etapów tego procesu.
Etapy ultradźwiękowego ługowania metali i delaminacji elektrod można dostosować do poszczególnych procesów recyklingu, które mogą się różnić, ponieważ firmy specjalizujące się w recyklingu akumulatorów litowo-jonowych opracowują i modyfikują swoje procesy w celu osiągnięcia najwyższej efektywności.

Kawitacja ultradźwiękowa do oddzielania katody

Sonikacja oddziela materiały katody od folii aluminiowej dzięki efektom kawitacji akustycznej. Kawitację akustyczną, czyli ultradźwiękową, charakteryzują lokalnie występujące wysokie ciśnienia i wysokie temperatury oraz ich późniejsze spadki, powodujące odpowiednie różnice ciśnienia i temperatury, a także intensywne mikroturbulencje i mikrostrumienie o dużych siłach ścinających. Te siły kawitacyjne oddziałują na granice powierzchni, sprzyjają przenoszeniu masy i powodują erozję. Wytwarzając tak intensywne oddziaływania o charakterze chemicznym, fizycznym, termicznym i mechanicznym, kawitacja ultradźwiękowa zapewnia mieszanie i przenoszenie masy niezbędne do rozbicia struktury organicznego spoiwa stosowanego w akumulatorach litowo-jonowych do mocowania katody do kolektora prądowego / folii aluminiowej.
Podczas gdy samo mieszanie mechaniczne nie wystarcza do skutecznego oderwania materiału katody od folii aluminiowej, sonikacja o wysokiej intensywności dostarcza energię sonochemiczną i sonomechaniczną niezbędną do całkowitego usunięcia materiału katody z kolektorów prądowych. W przeciwieństwie do mieszania mechanicznego kawitacja ultradźwiękowa wytwarza intensywne turbulencje, lokalnie wysokie temperatury i ciśnienia, a także mieszanie, przepływy i strumienie cieczy, które rozbijają spoiwo, np. PVDF lub PTFE, łączące katodę z folią Al, oraz powoduje erozję powierzchni zarówno katody, jak i folii Al. W ten sposób spoiwo między oboma materiałami zostaje odpowiednio zniszczone, a katoda i folia aluminiowa zostają skutecznie rozdzielone.
Na przykład separacja ultradźwiękowa zapewnia wysoką skuteczność usuwania katody wynoszącą 99% przy zastosowaniu N-metylo-2-pirolidonu (NMP) jako rozpuszczalnika w temperaturze 70°C (moc ultradźwięków 240 W i czas obróbki ultradźwiękowej 90 min). Ponieważ ultradźwiękowe oddzielanie katody równomiernie dysperguje materiał i zapobiega powstawaniu większych aglomeratów, ułatwia późniejszy proces ługowania metali.
Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej delaminacji elektrod w celu odzysku materiałów aktywnych i folii kolektorów prądowych!

Ultradźwiękowe ługowanie minerałów

Opisane powyżej efekty kawitacji ultradźwiękowej sprzyjają również ługowaniu metali ze zużytych akumulatorów. Sonikacja o wysokiej intensywności jest wykorzystywana nie tylko do odzyskiwania minerałów podczas recyklingu akumulatorów, lecz także często w hydrometalurgii i ługowaniu cennych rud (np. odpadów poflotacyjnych). Wysokie lokalne temperatury, ciśnienia i siły ścinające intensyfikują ługowanie metali i znacznie zwiększają jego efektywność. Chociaż w kawitacyjnych gorących punktach lokalnie występują ekstremalnie wysokie temperatury sięgające 1000 K, ogólne warunki ługowania wymagają jedynie umiarkowanej temperatury wynoszącej około 50–60°C. Dzięki temu ultradźwiękowy odzysk metali jest energooszczędny i ekonomiczny.
Ultradźwiękowe ługowanie minerałów ze zużytych akumulatorów litowo-jonowych charakteryzuje się wysokimi stopniami odzysku i efektywnością. Na przykład kwas siarkowy (H2SO4) został z powodzeniem zastosowany jako czynnik ługujący w obecności nadtlenku wodoru (H2O2) podczas ultradźwiękowego odzysku minerałów z katody. Ługowanie ultradźwiękowe kwasem siarkowym pozwoliło uzyskać stopnie odzysku wynoszące odpowiednio 94,63% dla kobaltu i 98,62% dla litu.
Ługowanie ultradźwiękowe organicznym kwasem cytrynowym (C6H8O7·H2O) zapewnia bardzo wysokie stopnie odzysku miedzi i litu, umożliwiając odzyskanie 96% miedzi i niemal 100% litu ze zużytych akumulatorów litowo-jonowych.

Prosto i bezpiecznie: skalowanie procesów ultradźwiękowych od badań wykonalności do recyklingu przemysłowego

Wysokowydajne urządzenia ultradźwiękowe do recyklingu akumulatorów litowo-jonowych są łatwo dostępne do instalacji stołowych, pilotażowych i przemysłowych. Ponieważ ultradźwiękowe oddzielanie katody i ultradźwiękowe ługowanie minerałów ze zużytych akumulatorów są już sprawdzonymi procesami, przejście od pierwszych prób przez optymalizację pod kątem konkretnych wymagań procesu aż do instalacji w pełni przemysłowego systemu ultradźwiękowego do separacji i/lub ługowania jest szybkie i proste.
Przeczytaj więcej o zaletach ługowania ultradźwiękowego dla zrównoważonego recyklingu akumulatorów i górnictwa miejskiego!

Wysokowydajne sonikatory do recyklingu akumulatorów

Hielscher Ultrasonics dostarcza wysokowydajne sonikatory we wszystkich rozmiarach i o dowolnej wydajności. Produkując UIP16000 (16kW), Hielscher wytwarza najpotężniejszy procesor ultradźwiękowy na świecie. UIP16000, podobnie jak wszystkie pozostałe przemysłowe systemy ultradźwiękowe, można łatwo łączyć w zespoły zapewniające wymaganą wydajność przetwarzania. Wszystkie sonikatory Hielscher są przystosowane do pracy 24/7 przy pełnym obciążeniu i w wymagających warunkach.
Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w ciągłej pracy 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie.

Sondy ultradźwiękowe i reaktory sonochemiczne do dowolnej objętości

Oferta Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum procesorów ultradźwiękowych – od kompaktowych sonikatorów laboratoryjnych, przez systemy stołowe i pilotażowe, po w pełni przemysłowe procesory ultradźwiękowe o zdolności przetwarzania całych ładunków ciężarówek na godzinę. Pełna gama produktów pozwala nam zaoferować Państwu urządzenia ultradźwiękowe najlepiej dopasowane do zastosowania, wydajności procesu i celów produkcyjnych.

Precyzyjna regulacja amplitud dla optymalnych wyników

Wszystkie procesory ultradźwiękowe Hielscher umożliwiają precyzyjne sterowanie, dzięki czemu są niezawodnymi urządzeniami do intensywnej pracy w badaniach i rozwoju oraz produkcji. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu wpływających na efektywność i skuteczność reakcji wywoływanych sonochemicznie i sonomechanicznie. Wszystkie procesory Hielscher Ultrasonics umożliwiają precyzyjne ustawianie amplitudy. Sonotrody i wzmacniacze amplitudy to akcesoria umożliwiające zmianę amplitudy w jeszcze szerszym zakresie. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy i dostarczać wymaganą intensywność ultradźwięków do wymagających zastosowań. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w ciągłej pracy 24/7.
Precyzyjne ustawienia amplitudy i stałe monitorowanie parametrów procesu ultradźwiękowego za pomocą inteligentnego oprogramowania umożliwiają oddzielanie katody od folii aluminiowej oraz ługowanie minerałów i metali ze zużytych akumulatorów litowo-jonowych w najskuteczniejszych warunkach ultradźwiękowych. Optymalna sonikacja dla najbardziej efektywnego recyklingu akumulatorów litowo-jonowych!
Solidność sonikatorów Hielscher umożliwia pracę 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach. Dzięki temu sonikatory Hielscher są niezawodnymi narzędziami pracy spełniającymi wymagania Państwa procesu recyklingu.

Najwyższa jakość – projektowanie i produkcja w Niemczech

Jako firma będąca własnością rodziny i przez nią zarządzana, Hielscher stawia na najwyższe standardy jakości swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie sonikatory są projektowane, produkowane i dokładnie testowane w naszej siedzibie w Teltow koło Berlina w Niemczech. Solidność i niezawodność urządzeń ultradźwiękowych Hielscher sprawiają, że są one wytrzymałymi urządzeniami do intensywnej pracy w Państwa produkcji. Praca 24/7 przy pełnym obciążeniu i w wymagających warunkach jest naturalną cechą wysokowydajnych sond i reaktorów ultradźwiękowych Hielscher.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Warto wiedzieć

Czym są akumulatory litowo-jonowe?

Akumulator litowo-jonowy, określany również jako akumulator Li-ion, jest rodzajem akumulatora umożliwiającego wielokrotne ładowanie. W porównaniu z akumulatorami ołowiowymi i niklowymi urządzenia litowo-jonowe wykorzystują katodę, anodę i elektrolit jako przewodnik.
Podobnie jak wszystkie akumulatory, akumulatory litowo-jonowe magazynują energię chemiczną, która jest następnie przekształcana w energię elektryczną w celu zapewnienia statycznego ładunku elektrycznego do zasilania.
Akumulatory litowo-jonowe są powszechnie stosowane w przenośnych urządzeniach elektronicznych, takich jak laptopy i smartfony, a także w pojazdach elektrycznych. Zastosowanie akumulatorów litowo-jonowych wzbudza również rosnące zainteresowanie wojska i firm z sektora lotniczego i kosmicznego.