Ultrasunete pentru reciclarea bateriilor litiu-ion

• Bateriile litiu-ion utilizate în mașinile electrice abia acum ajung pe piața de masă și, odată cu aceasta, trebuie dezvoltate capacități de reciclare.
• Levigarea cu ultrasunete este o tehnică eficientă și ecologică pentru recuperarea metalelor precum Li, Mg, Co, Ni etc. din bateriile Li-ion uzate.
• Sistemele industriale cu ultrasunete Hielscher pentru aplicații de levigare sunt fiabile și robuste și pot fi integrate cu ușurință în instalațiile de reciclare existente.

Reciclarea bateriilor litiu-ion

Bateriile litiu-ion sunt utilizate pe scară largă în vehiculele electrice (EV), laptopuri și telefoane mobile. Aceasta înseamnă că bateriile litiu-ion uzate reprezintă o provocare actuală în ceea ce privește gestionarea deșeurilor și reciclarea. Bateriile sunt un factor major de cost pentru vehiculele electrice, iar eliminarea lor este, de asemenea, costisitoare. Aspectele ecologice și economice impulsionează un circuit închis de reciclare, deoarece deșeurile de baterii conțin materiale valoroase, iar reciclarea lor contribuie la reducerea amprentei de carbon a fabricării bateriilor litiu-ion.
Reciclarea bateriilor Li-ion devine un sector industrial înfloritor, pentru a asigura disponibilitatea viitoare a metalelor pământurilor rare și a altor componente ale bateriilor și pentru a reduce costurile de mediu ale mineritului.

Reciclarea pirometalurgică și hidrometalurgică vs. reciclarea bateriilor cu ultrasunete

Mai jos comparăm metodele convenționale ale proceselor pirometalurgice și hidrometalurgice cu tehnica de levigare cu ultrasunete în ceea ce privește avantajele și dezavantajele.

Dezavantajele reciclării convenționale a bateriilor

Metodele tradiționale utilizate pentru reciclarea bateriilor litiu-ion includ procesele pirometalurgice și hidrometalurgice.

Metodele pirometalurgice implică procese la temperaturi ridicate, precum topirea sau incinerarea. Bateriile sunt supuse unei călduri extreme, ceea ce face ca componentele organice să ardă, iar componentele metalice rămase sunt topite și separate. Cu toate acestea, aceste metode prezintă unele dezavantaje:

• Impactul asupra mediului: Procesele pirometalurgice eliberează în atmosferă emisii nocive și poluanți, contribuind la poluarea aerului și putând cauza riscuri pentru sănătate.
• Pierderea de materiale: Procesele la temperaturi ridicate pot duce la pierderea unor materiale și metale valoroase din cauza degradării termice, reducând rata globală de recuperare.
• Consum ridicat de energie: Aceste metode necesită de regulă un aport energetic semnificativ, ceea ce crește costurile operaționale și amprenta asupra mediului.

 
Metodele hidrometalurgice implică levigarea chimică pentru dizolvarea componentelor bateriei și extragerea metalelor valoroase. Deși este mai ecologică decât metodele pirometalurgice, hidrometalurgia are propriile dezavantaje:

• Utilizarea substanțelor chimice: Pentru levigare sunt necesari acizi puternici sau alte substanțe chimice corosive, ceea ce ridică preocupări privind manipularea substanțelor chimice, gestionarea deșeurilor și potențiala contaminare a mediului.
• Provocări legate de selectivitate: Obținerea unei levigări selective a metalelor dorite poate fi dificilă, ceea ce duce la rate de recuperare mai scăzute și la o potențială pierdere de resurse valoroase.

 

Avantajele levigării bateriilor cu ultrasunete față de tehnicile convenționale

În comparație cu ambele tehnici de reciclare, pirometalurgică și hidrometalurgică, tehnica de reciclare a bateriilor cu ultrasunete este superioară datorită mai multor avantaje:

1. Eficiență sporită: Sonicarea cu ultrasunete poate accelera descompunerea materialelor bateriei, rezultând timpi de procesare mai scurți și o eficiență globală mai ridicată.
2. Rate de recuperare îmbunătățite: Aplicarea controlată a cavitației ultrasonice intensifică descompunerea componentelor bateriei, crescând ratele de recuperare a metalelor valoroase.
3. Ecologic: Reciclarea cu ultrasunete reduce dependența de temperaturi ridicate și de substanțe chimice agresive, minimizând impactul asupra mediului și reducând emisiile de poluanți.
4. Levigare selectivă: Aplicarea controlată a ultrasunetelor permite dezintegrarea țintită a anumitor componente din baterie, separându-le eficient. Deoarece diferiți compuși reciclabili ai bateriei sunt îndepărtați și dizolvați la intensități ultrasonice specifice, parametrii de procesare optimizați permit o levigare selectivă a materialelor individuale. Acest lucru facilitează separarea eficientă a metalelor și materialelor valoroase.
5. Consum redus de energie: În comparație cu ambele metode, hidrometalurgice și mai ales pirometalurgice, reciclarea cu ultrasunete este în general mai eficientă din punct de vedere energetic, ceea ce duce la costuri operaționale mai mici și la o amprentă de carbon redusă.
6. Scalabilitate și flexibilitate: Sistemele cu ultrasunete pot fi scalate cu ușurință în sus sau în jos pentru a se adapta la diverse dimensiuni ale bateriilor și capacități de producție. În plus, sonicatoarele pentru reciclarea bateriilor pot fi integrate cu ușurință în instalațiile de reciclare a bateriilor deja existente. Fiind ușor disponibile la diverse niveluri de putere și cu accesorii adecvate, precum sonotrode și reactoare cu celulă de flux, sonicatoarele pot procesa componente de baterii de diverse dimensiuni și capacități de producție, asigurând scalabilitate și adaptabilitate în procesele de reciclare.
7. Integrare sinergică: Levigarea cu ultrasunete poate fi integrată în liniile hidrometalurgice existente de reciclare a bateriilor pentru a intensifica și îmbunătăți levigarea hidrometalurgică a metalelor și materialelor valoroase din bateriile Li-ion uzate.

În ansamblu, reciclarea bateriilor cu ultrasunete se arată promițătoare ca metodă mai ecologică, mai eficientă și mai selectivă în comparație cu abordările tradiționale pirometalurgice și hidrometalurgice.

Levigarea industrială cu ultrasunete pentru recuperarea metalelor din bateriile uzate

Levigarea și extracția metalelor cu ultrasunete pot fi aplicate în procesele de reciclare a bateriilor cu oxid de litiu-cobalt (de ex. din laptopuri, smartphone-uri etc.), precum și a bateriilor complexe litiu-nichel-mangan-cobalt (de ex. din vehicule electrice).
Ultrasunetele de mare putere sunt bine cunoscute pentru capacitatea lor de a procesa lichide chimice și suspensii, în vederea îmbunătățirii transferului de masă și a inițierii reacțiilor chimice.
Efectele intense ale ultrasonicării de putere se bazează pe fenomenul cavitației acustice. Prin cuplarea ultrasunetelor de mare putere în lichide / suspensii, undele alternante de joasă presiune și de înaltă presiune din lichide generează mici bule de vid. Micile goluri de vid cresc pe parcursul mai multor cicluri de joasă presiune / înaltă presiune până când implodează violent. Bulele de vid care colapsează pot fi considerate microreactoare în care temperaturi de până la 5000K, presiuni de până la 1000atm și viteze de încălzire și răcire de peste 10^-10 sunt atinse. În plus, sunt generate forțe hidrodinamice de forfecare puternice și jeturi de lichid cu viteze de până la 280m/s. Aceste condiții extreme ale cavitației acustice creează condiții fizice și chimice extraordinare în lichide altfel reci și un mediu favorabil reacțiilor chimice (așa-numita sonochimie).

Cavitația generată ultrasonic poate induce termoliza substanțelor dizolvate, precum și formarea de radicali și reactivi cu reactivitate ridicată, precum radicali liberi, ioni hidroxid (•OH,) hidroniu (H₃O+) etc., care asigură condiții de reactivitate extraordinare în lichid, astfel încât viteza de reacție crește semnificativ. Solidele, precum particulele, sunt accelerate de jeturile de lichid și sunt măcinate prin coliziune și abraziune interparticulară, crescând suprafața activă și, prin urmare, transferul de masă.
Marele avantaj al levigării și recuperării metalelor cu ultrasunete este controlul precis asupra parametrilor de proces, precum amplitudinea, presiunea și temperatura. Acești parametri permit ajustarea exactă a condițiilor de reacție la mediul de proces și la rezultatul vizat. În plus, levigarea cu ultrasunete îndepărtează chiar și cele mai mici particule metalice de pe substrat, păstrând în același timp microstructurile. Recuperarea îmbunătățită a metalelor se datorează creării, prin ultrasunete, a unor suprafețe foarte reactive, vitezelor de reacție crescute și transportului de masă îmbunătățit. Procesele de sonicare pot fi optimizate prin influențarea fiecărui parametru și sunt, prin urmare, nu numai foarte eficiente, ci și deosebit de eficiente energetic.
Controlul exact al parametrilor și eficiența energetică fac din levigarea cu ultrasunete tehnica preferabilă și remarcabilă – mai ales în comparație cu tehnicile complicate de levigare acidă și chelatare.

Recuperarea cu ultrasunete a LiCoO₂ din bateriile litiu-ion uzate

Ultrasonicarea asistă levigarea reductivă și precipitarea chimică, care sunt utilizate pentru a recupera Li sub formă de Li₂CO₃ și Co sub formă de Co(OH)₂ din deșeurile de baterii litiu-ion.
Zhang et al. (2014) raportează recuperarea reușită a LiCoO₂ cu ajutorul unui reactor cu ultrasunete. Pentru a prepara soluția inițială de 600mL, au plasat 10g de pulbere inutilizabilă de LiCoO₂ într-un pahar Berzelius și au adăugat 2,0mol/L de soluție de LiOH, iar acestea au fost amestecate.
Amestecul a fost turnat în dispozitivul de iradiere cu ultrasunete și a fost pornit dispozitivul de agitare; dispozitivul de agitare a fost amplasat în interiorul recipientului de reacție. Amestecul a fost încălzit la 120◦C, iar apoi dispozitivul cu ultrasunete a fost setat la 800W, iar modul de acțiune ultrasonic a fost setat pe cicluri de lucru pulsate de 5 sec. pornit / 2sec. oprit. Iradierea cu ultrasunete a fost aplicată timp de 6h, apoi amestecul de reacție s-a răcit la temperatura camerei. Reziduul solid a fost spălat de mai multe ori cu apă deionizată și uscat la 80◦C până la greutate constantă. Proba obținută a fost colectată pentru testări ulterioare și pentru producția de baterii. Capacitatea de încărcare în primul ciclu este de 134,2mAh/g, iar capacitatea de descărcare este de 133,5mAh/g. Eficiența de încărcare și descărcare la primul ciclu a fost de 99,5%. După 40 de cicluri, capacitatea de descărcare este încă de 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)

Levigarea cu ultrasunete cu acizi organici, precum acidul citric, nu este doar eficientă, ci și ecologică. Cercetările au constatat că levigarea Co și Li este mai eficientă cu acid citric decât cu acizii anorganici H2SO4 și HCl. Peste 96% Co și aproape 100% Li au fost recuperate din bateriile litiu-ion uzate. Faptul că acizii organici, precum acidul citric și acidul acetic, sunt ieftini și biodegradabili contribuie la avantajele economice și ecologice suplimentare ale sonicării.

Ultrasunete industriale de mare putere pentru levigarea metalelor din bateriile uzate

Hielscher Ultrasonics este furnizorul dumneavoastră cu îndelungată experiență pentru sisteme cu ultrasunete foarte eficiente și fiabile, care furnizează puterea necesară pentru levigarea metalelor din deșeuri. Pentru a reprocesa bateriile Li-ion prin extragerea metalelor precum cobaltul, litiul, nichelul și manganul, sunt esențiale sisteme cu ultrasunete puternice și robuste. Unitățile industriale Hielscher Ultrasonics, precum UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) și UIP16000 (16kW), sunt cele mai puternice și robuste sisteme cu ultrasunete de înaltă performanță de pe piață. Toate unitățile noastre industriale pot funcționa continuu la amplitudini foarte mari, de până la 200µm, în regim 24/7. Pentru amplitudini și mai mari sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate. Robustețea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim de lucru intens și în medii solicitante. Hielscher furnizează, de asemenea, sonotrode și reactoare speciale pentru temperaturi și presiuni ridicate și pentru lichide corosive. Acest lucru face ca sonicatoarele noastre industriale să fie cele mai potrivite pentru tehnicile de metalurgie extractivă, de ex. tratamentele hidrometalurgice.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a sonicatoarelor noastre:

---

---

Literatură/Referințe

• 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.