Os ultrassons tornam a reciclagem de baterias de iões de lítio mais eficiente

O lítio é um material escasso e de elevado valor presente em baterias de alto desempenho, como as baterias de iões de lítio. O lítio é o material mais valioso recuperado na reciclagem de baterias de iões de lítio, mas outros minerais e metais, como o cobalto, o manganês, o níquel, o cobre e o alumínio, também são metais valiosos para recuperação. A sonicação de alta intensidade é utilizada como técnica de agitação com elevado cisalhamento e de lixiviação para extrair, remover e dissolver minerais e metais valiosos de baterias usadas. O método de sonicação é altamente eficaz, energeticamente eficiente e está prontamente disponível para instalação em unidades de reciclagem à escala comercial plena.

Visão geral: processo de reciclagem de baterias de iões de lítio

O processo de reciclagem de metais preciosos e materiais provenientes de baterias de iões de lítio usadas envolve normalmente várias etapas. Segue-se uma visão geral:

1. Recolha e triagem: As baterias de iões de lítio usadas são recolhidas e separadas de acordo com os seus tipos e composições químicas.
2. Desmontagem: Primeiro, a cobertura de plástico da bateria é partida e removida. Em seguida, a bateria sem cobertura é colocada em azoto líquido para neutralizar substâncias reativas e explosivas. Esta etapa garante que se evita uma libertação súbita de toda a energia armazenada e a consequente ignição e explosão associadas. Depois, as baterias são desmontadas para separar os diferentes componentes, como o cátodo, o ânodo, o eletrólito e o invólucro.
3. Trituração: As baterias desmontadas são trituradas em pedaços mais pequenos para aumentar a área de superfície disponível para os processos subsequentes.
4. Delaminação dos elétrodos: Antes do tratamento de extração de metais, os elétrodos isolados, ou seja, o cátodo e o ânodo, têm de ser desmontados adicionalmente. Como o material do cátodo está geralmente aderido à folha de alumínio por um ligante, normalmente fluoreto de polivinilideno (PVDF) ou politetrafluoroetileno (PTFE), separar o cátodo da folha de alumínio é uma tarefa difícil.
5. Tratamento químico: Os componentes triturados da bateria são submetidos a vários tratamentos químicos para dissolver e separar os diferentes materiais. Isto pode envolver lixiviação com ácido ou outros solventes para extrair metais valiosos, como o lítio, o cobalto, o níquel e o cobre.
6. Recuperação e purificação: Os metais dissolvidos são depois recuperados da solução através de processos como a precipitação, a extração por solventes ou métodos eletroquímicos. Estas etapas ajudam a purificar e a concentrar os metais preciosos.

Recuperação de metais preciosos melhorada pela sonicação

Os ultrassons de potência podem melhorar as etapas de delaminação dos elétrodos e de lixiviação de metais preciosos e materiais, intensificando as reações e tornando assim o processo de recuperação significativamente mais eficiente. A sonicação é uma técnica que utiliza ondas ultrassónicas de alta intensidade para criar vibrações mecânicas e cavitação acústica num meio líquido. As forças intensas da sonicação são utilizadas para melhorar o processo de reciclagem de metais preciosos provenientes de baterias de iões de lítio usadas de várias formas:
 

1. Desintegração: A sonicação desintegra os materiais triturados das baterias, criando partículas mais pequenas. As partículas mais pequenas oferecem uma maior área de superfície, o que torna a lixiviação química mais eficaz e ajuda a libertar os metais valiosos.
2. Lixiviação melhorada: A aplicação de sonicação durante os processos de lixiviação pode melhorar o contacto entre o material sólido e a solução de lixiviação, aumentando a eficiência da extração de metais. A lixiviação ultrassónica promove a extração de metais e aumenta o rendimento de recuperação de metais e minerais, como o cobalto, o manganês, o níquel, o cobre e o alumínio.
3. Delaminação dos elétrodos melhorada: O objetivo da delaminação dos elétrodos durante a reciclagem de baterias é separar os diferentes componentes, como os elétrodos, os eletrólitos e os separadores, para que possam ser posteriormente processados ou reciclados individualmente. A sonicação ajuda a destacar e a remover os revestimentos do elétrodo. As forças sonomecânicas promovem a separação eficiente das camadas dos elétrodos.
4. Reações aceleradas: A sonicação promove uma mistura mais rápida e mais completa, o que pode acelerar as reações químicas durante as etapas de recuperação e purificação dos metais.
5. Consumo de energia reduzido: A sonicação pode melhorar a eficiência do processo, reduzindo o tempo e a energia necessários para recuperar metais de baterias usadas.

 
A sonicação pode desempenhar um papel benéfico na melhoria do processo de reciclagem de metais preciosos e materiais provenientes de baterias de iões de lítio usadas, aumentando a eficácia e a eficiência das várias etapas envolvidas no processo de reciclagem.
As etapas de lixiviação ultrassónica de metais e de delaminação dos elétrodos podem ser adaptadas a processos de reciclagem específicos, que podem variar à medida que as empresas especializadas na reciclagem de baterias de iões de lítio desenvolvem e modificam os seus processos para alcançar a máxima eficiência.

Cavitação ultrassónica para separação do cátodo

A sonicação separa os materiais do cátodo da folha de alumínio através dos efeitos da cavitação acústica. A cavitação acústica ou ultrassónica é determinada por pressões e temperaturas elevadas que ocorrem localmente e pelas suas subsequentes quedas, que resultam nos respetivos diferenciais de pressão e temperatura, bem como em microturbulências intensas e microjatos de elevado cisalhamento. Estas forças de cavitação afetam as interfaces superficiais, promovem a transferência de massa e causam erosão. Ao gerar forças tão intensas de natureza química, física, térmica e mecânica, a cavitação ultrassónica cria a agitação e a transferência de massa necessárias para romper a estrutura do ligante orgânico utilizado nas baterias de iões de lítio para fixar o cátodo ao coletor / à folha de alumínio.
Embora a agitação mecânica, como a simples agitação por um agitador, seja insuficiente para destacar eficazmente o material do cátodo da folha de alumínio, a sonicação de alta intensidade fornece a energia sonoquímica e sonomecânica necessária para remover completamente o material do cátodo dos coletores. Ao contrário da agitação mecânica, a cavitação ultrassónica gera turbulências intensas, temperaturas e pressões localmente elevadas, bem como agitação, correntes e jatos de líquido, que desintegram o ligante, por exemplo, PVDF ou PTFE, que liga o cátodo à folha de Al, e provoca erosão na superfície de ambos, o cátodo e a folha de Al. Assim, o ligante entre os dois materiais é devidamente destruído e o cátodo e a folha de alumínio são eficazmente separados.
Por exemplo, a separação ultrassónica proporciona uma elevada eficiência de remoção do cátodo de 99%, utilizando N-metil-2-pirrolidona (NMP) como solvente a 70°C (240 W de potência ultrassónica e 90 min de tempo de processamento ultrassónico). Como a separação ultrassónica do cátodo dispersa o material uniformemente e evita aglomerados maiores, o processo subsequente de lixiviação dos metais é facilitado.
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Lixiviação ultrassónica de minerais

Os efeitos de cavitação ultrassónica descritos acima também promovem a lixiviação de metais de baterias usadas. A sonicação de alta intensidade não é utilizada apenas para recuperar minerais na reciclagem de baterias, sendo também frequentemente utilizada na hidrometalurgia e na lixiviação de minérios preciosos (por exemplo, rejeitados de mineração). As temperaturas, pressões e forças de cisalhamento localmente elevadas intensificam a lixiviação dos metais e aumentam significativamente a eficiência da lixiviação. Embora nos pontos quentes de cavitação ocorram temperaturas locais extremamente elevadas, de até 1000 K, as condições globais de lixiviação requerem apenas uma temperatura moderada de aprox. 50–60°C. Isto torna a recuperação ultrassónica de metais energeticamente eficiente e económica.
A lixiviação ultrassónica de minerais de baterias de iões de lítio usadas caracteriza-se por elevadas taxas de recuperação e eficiência. Por exemplo, o ácido sulfúrico (H2SO4) foi utilizado com sucesso como agente de lixiviação na presença de peróxido de hidrogénio (H2O2) durante a recuperação ultrassónica de minerais do cátodo. A lixiviação ultrassónica com ácido sulfúrico resultou em taxas de recuperação de 94,63% para o cobalto e de 98,62% para o lítio, respetivamente.
A lixiviação ultrassónica com ácido cítrico orgânico (C6H8O7·H2O) resulta em recuperações muito elevadas de cobre e lítio, obtendo-se 96% de cobre e quase 100% de lítio das baterias de iões de lítio usadas.

Simples e segura: aumento de escala dos processos ultrassónicos, dos testes de viabilidade à reciclagem industrial

O equipamento ultrassónico de alto desempenho para a reciclagem de baterias de iões de lítio está prontamente disponível para instalação em bancada, à escala piloto e à escala industrial. Como a separação ultrassónica do cátodo e a lixiviação ultrassónica de minerais de baterias usadas já são processos consolidados, o percurso desde os primeiros ensaios e a otimização para os requisitos específicos do seu processo até à instalação de um sistema de separação e/ou lixiviação ultrassónica à escala plenamente industrial é rápido e simples.
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Sonicadores de alto desempenho para reciclagem de baterias

A Hielscher Ultrasonics fornece sonicadores de alto desempenho de qualquer dimensão e capacidade. Com o UIP16000 (16kW), a Hielscher fabrica o processador ultrassónico mais potente do mundo. O UIP16000, bem como todos os outros sistemas ultrassónicos industriais, pode ser facilmente agrupado para obter a capacidade de processamento necessária. Todos os sonicadores Hielscher são concebidos para funcionar 24/7 em plena carga e em ambientes exigentes.
Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. É possível operar facilmente e de forma contínua com amplitudes de até 200µm em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados.

Sondas ultrassónicas e sonorreatores para qualquer volume

A gama de produtos da Hielscher Ultrasonics abrange todo o espectro de processadores ultrassónicos, desde sonicadores de laboratório compactos, passando por sistemas de bancada e à escala piloto, até processadores ultrassónicos à escala plenamente industrial com capacidade para processar cargas de camião por hora. A gama completa de produtos permite-nos oferecer-lhe o equipamento ultrassónico mais adequado à sua aplicação, capacidade de processamento e objetivos de produção.

Amplitudes controláveis com precisão para resultados ótimos

Todos os processadores ultrassónicos Hielscher são controláveis com precisão e, por isso, são ferramentas de trabalho fiáveis em I&D e na produção. A amplitude é um dos parâmetros cruciais do processo que influenciam a eficiência e a eficácia das reações induzidas sonoquímica e sonomecanicamente. Todos os processadores da Hielscher Ultrasonics permitem ajustar a amplitude com precisão. Os sonotrodos e os amplificadores mecânicos de amplitude são acessórios que permitem modificar a amplitude numa gama ainda mais ampla. Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas e a intensidade ultrassónica necessária para aplicações exigentes. É possível operar facilmente e de forma contínua com amplitudes de até 200µm em funcionamento 24/7.
Os ajustes precisos da amplitude e a monitorização permanente dos parâmetros do processo ultrassónico através de software inteligente permitem-lhe separar o cátodo da folha de alumínio, bem como lixiviar minerais e metais de baterias de iões de lítio usadas nas condições ultrassónicas mais eficazes. Sonicação ótima para a reciclagem mais eficiente de baterias de iões de lítio!
A robustez dos sonicadores Hielscher permite o funcionamento 24/7 em serviço intensivo e em ambientes exigentes. Isto faz dos sonicadores Hielscher uma ferramenta de trabalho fiável que satisfaz os requisitos do seu processo de reciclagem.

Máxima qualidade – concebidos e fabricados na Alemanha

Enquanto empresa de propriedade e gestão familiares, a Hielscher dá prioridade aos mais elevados padrões de qualidade para os seus processadores ultrassónicos. Todos os sonicadores são concebidos, fabricados e rigorosamente testados na nossa sede em Teltow, perto de Berlim, na Alemanha. A robustez e a fiabilidade do equipamento ultrassónico da Hielscher fazem dele uma ferramenta de trabalho incansável na sua produção. O funcionamento 24/7 em plena carga e em ambientes exigentes é uma característica natural das sondas e dos reatores ultrassónicos de alto desempenho da Hielscher.

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores:

Informações úteis

O que são baterias de iões de lítio?

Uma bateria de iões de lítio, também designada bateria Li-ion, é um tipo de bateria recarregável. Em comparação com as baterias à base de chumbo e de níquel, os dispositivos de iões de lítio utilizam um cátodo, um ânodo e um eletrólito como condutor.
Como todas as baterias, as baterias de iões de lítio armazenam energia química, que é depois convertida em energia elétrica para fornecer uma carga elétrica estática para alimentação.
As baterias de iões de lítio são habitualmente utilizadas em equipamentos eletrónicos portáteis, como computadores portáteis e smartphones, bem como em veículos elétricos. A aplicação de baterias de iões de lítio também suscita um interesse crescente por parte das forças armadas e das empresas aeroespaciais.