Ultraljudslakning förändrar batteriåtervinning och urban gruvdrift

Förbrukade batterier och elektronikavfall är fulla av värdefulla material som litium, nickel, mangan och kobolt, som är avgörande för den växande efterfrågan inom sektorerna för förnybar energi och elfordon. Urban gruvdrift – processen att återvinna dessa metaller från kasserade batterier och annat elektronikavfall – är en lovande väg mot en cirkulär ekonomi som minskar behovet av primär gruvbrytning och minimerar avfallet. En central teknik inom detta område är ultraljudsbehandling, som har visat stora fördelar genom att öka metallutbytet, förkorta bearbetningstiderna och förbättra hållbarheten.

Ultraljudsbehandlingens kraft inom batteriåtervinning och urban gruvdrift: ett genombrott för hållbar resursåtervinning

En nyligen publicerad studie av Canciani et al. (2024) undersöker effekterna av ultraljudskavitation – små stötvågor som skapas av högintensiva ultraljudsvågor – på lakningsprocessen vid batteriåtervinning. Deras forskning visar att ultraljudsbehandling inte bara är en måttlig förbättring av traditionell återvinning; den förändrar i grunden hur återvinningsprocessen samverkar med batterimaterialet och gör den snabbare, effektivare och mindre beroende av aggressiva kemikalier.
Läs mer om studiens resultat nedan!

Ultraljudsförstärkt syralakning sker tolv gånger snabbare än konventionell syralakning tack vare den gynnsamma mekaniska verkan av kavitationsbubblor som brister nära ytan. Detta fenomen förbättrar blandningen av syralösningen och därmed transportegenskaperna.
Bild och studie: © Canciani et al., 2024

Så fungerar ultraljudsbehandling vid batteriåtervinning

Vid typisk batteriåtervinning löses katodmaterial (som innehåller värdefulla metaller) upp i en sur lösning, en process som kallas ”lakning”. Denna metod gör det möjligt att separera och återvinna metaller från batteriets fasta struktur. Konventionell lakning är dock tidskrävande och tar ofta flera timmar för att uppnå ett betydande metallutbyte. Den kräver också starka syror och höga temperaturer, vilket väcker farhågor om miljöpåverkan.
Ultraljudsbehandling förändrar denna process genom att tillföra ultraljudsvågor direkt till lakningslösningen. I studien av Canciani et al., som publicerades 2024, testade forskarna denna teknik med ett ersättningsmaterial för batterimaterial, litiumkoboltnickelmanganoxid (NMC). Genom att applicera ultraljudsvågor med en specifik frekvens och amplitud fann de att ultraljudskavitation minskar lakningstiden med över 80%. Processen gick från att ta timmar till att ta bara några minuter, vilket innebär en revolutionerande effektivitetsförbättring.

Ultraljudsbehandlingens roll i förbättrad lakning: vetenskapen bakom massöverföring och hastighet

Ultraljudsbehandling påskyndar inte bara lakningen; den förändrar hur den sura lösningen samverkar med batteripartiklarna. Ultraljud med hög effekt skapar miljontals mikroskopiska bubblor som snabbt kollapsar i lösningen, ett fenomen som kallas kavitation. Detta ger upphov till intensiva lokala krafter som bryter ned ytpartiklar och ökar samverkan mellan syran och metallerna i batterimaterialet.
Enligt Canciani et al. (2024) har denna process två huvudsakliga effekter på batterimaterialen: den ökar partiklarnas porositet och minskar deras storlek, vilket leder till en dramatisk ökning av ytarean. Med en större ytarea kan syran samverka mer omfattande med materialet, vilket underlättar snabbare lakning. Författarna observerade att porvolymen i ultraljudsbehandlade prover ökade med en storleksordning jämfört med konventionellt bearbetade prover, vilket skapade fler vägar för syran att lösa upp metallinnehållet.

SEM-bilder av partiklar vid olika tidpunkter under konventionell lakning (a–c) och ultraljudslakning (d–f).
Bild och studie: © Canciani et al., 2024

Ultraljudslakning: förbättrade transportegenskaper och mikroblandning

Studien tyder också på att ultraljudskavitation inte bara förbättrar ytkontakten utan även avsevärt förbättrar transportegenskaperna. I praktiken innebär detta att syran fördelas jämnare över batteripartiklarna och att kavitationsinducerad mikroblandning säkerställer en jämn exponering. Detta leder till en homogeniserad reaktionsmiljö som gör att syran kan lösa upp metaller effektivare och jämnare.
Ett annat anmärkningsvärt resultat är att fördelarna med ultraljudskavitation sträcker sig bortom minskad partikelstorlek. Forskarna fann att kavitation förändrar mekanismen för växelverkan mellan syran och partiklarna, sannolikt på grund av förbättrad transport genom gränsskiktet. Enkelt uttryckt minskar kavitation tjockleken på vätskeskiktet runt varje partikel, vilket möjliggör snabbare upplösning av metaller.

Partikelstorleksfördelningar efter ultraljudslakning och konventionell lakning
Bild och studie: © Canciani et al., 2024

Fördelar för urban gruvdrift och hållbarhet

Ultraljudsbehandlingens effektivitet vid batteriåtervinning innebär en enorm potential för framtidens urbana gruvdrift och hållbara resursåtervinning. Resultaten från Canciani et al. (2024) tyder på att ultraljudsbehandling kommer att ersätta eller minska beroendet av miljöskadliga metoder genom att:

• Minska kemikalieanvändningen: Ultraljudsförstärkt lakning gör det möjligt att använda miljövänligare lösningsmedel som ättiksyra i stället för de aggressivare syror som vanligtvis krävs vid konventionell lakning.
• Minska energibehovet: Med ultraljudsbehandling sker lakningen snabbt vid rumstemperatur i stället för att kräva långvarig uppvärmning, vilket minskar energiförbrukningen och utsläppen.
• Öka materialåtervinningen: Förbättrad växelverkan vid ytan och ökad porositet maximerar återvinningsgraden för värdefulla metaller, vilket gör återvinningsprocessen ekonomiskt lönsam och miljövänlig.

Bredare inverkan på batteriindustrin

I takt med att elfordon och teknik för förnybar energi blir allt vanligare ökar efterfrågan kraftigt på batterier och därmed även på metallerna i dem. Urban gruvdrift med ultraljudsförstärkt återvinning erbjuder ett sätt att återvinna dessa metaller på ett hållbart sätt, vilket minskar miljöbelastningen från gruvdrift och möjliggör ett slutet kretslopp för batteriproduktion och omhändertagande av uttjänta batterier.
Uppskalning av ultraljudsbaserade återvinningsmetoder, optimering av lösningsmedelskombinationer och förfining av hur ultraljudsvågorna tillförs kommer att öka effektiviteten ytterligare. Hielscher Ultrasonics rekommenderar gärna den idealiska inline-konfigurationen av ultraljudsutrustning för din lakningsprocess. Kontakta oss nu!

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och konstruktionsstandarder. Robusthet och enkel användning gör att våra ultraljudsapparater smidigt kan integreras i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar enkelt tuffa förhållanden och krävande miljöer.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med toppmodern teknik och hög användarvänlighet. Självklart är Hielschers ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven enligt UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: