Ultraljud för återvinning av litiumjonbatterier

• Litiumjonbatterier som används i elbilar håller just nu på att nå massmarknaden, och i takt med detta måste återvinningskapaciteten byggas ut.
• Ultraljudslakning är en effektiv och miljövänlig teknik för att återvinna metaller som Li, Mg, Co, Ni osv. från uttjänta litiumjonbatterier.
• Hielschers industriella ultraljudssystem för lakningstillämpningar är tillförlitliga och robusta och kan enkelt integreras i befintliga återvinningsanläggningar.

Återvinning av litiumjonbatterier

Litiumjonbatterier används i stor utsträckning i elfordon (EV), bärbara datorer och mobiltelefoner. Det innebär att uttjänta litiumjonbatterier i dag utgör en utmaning för avfallshantering och återvinning. Batterierna är en stor kostnadsdrivande faktor för elfordon, och även omhändertagandet av dem är dyrt. Miljömässiga och ekonomiska aspekter driver på utvecklingen mot ett slutet återvinningskretslopp, eftersom batteriavfallet innehåller värdefulla material och bidrar till att minska koldioxidavtrycket från tillverkningen av litiumjonbatterier.
Återvinning av litiumjonbatterier växer till en blomstrande industrisektor för att säkerställa den framtida tillgången på sällsynta jordartsmetaller och andra batterikomponenter och för att minska gruvdriftens miljökostnader.

Pyrometallurgisk och hydrometallurgisk återvinning jämfört med batteriåtervinning med ultraljud

Nedan jämför vi konventionella pyrometallurgiska och hydrometallurgiska processer med ultraljudslakning med avseende på fördelar och nackdelar.

Nackdelarna med konventionell batteriåtervinning

Traditionella metoder för återvinning av litiumjonbatterier omfattar pyrometallurgiska och hydrometallurgiska processer.
 
Pyrometallurgiska metoder innefattar högtemperaturprocesser som smältning eller förbränning. Batterierna utsätts för extrem värme, vilket gör att de organiska komponenterna bränns bort, medan de kvarvarande metalliska komponenterna smälts och separeras. Dessa metoder har dock vissa nackdelar:

• Miljöpåverkan: Pyrometallurgiska processer släpper ut skadliga ämnen och föroreningar i atmosfären, vilket bidrar till luftföroreningar och kan medföra hälsorisker.
• Materialförluster: Högtemperaturprocesser kan leda till förlust av värdefulla material och metaller på grund av termisk nedbrytning, vilket minskar den totala återvinningsgraden.
• Energikrävande: Dessa metoder kräver vanligtvis en betydande energitillförsel, vilket ökar driftskostnaderna och miljöavtrycket.

 
Hydrometallurgiska metoder innefattar kemisk lakning för att lösa upp batterikomponenterna och utvinna värdefulla metaller. Även om hydrometallurgi är mer miljövänlig än pyrometallurgiska metoder har den sina egna nackdelar:

• Kemikalieanvändning: Starka syror eller andra frätande kemikalier behövs för lakning, vilket väcker farhågor kring kemikaliehantering, avfallshantering och potentiell miljöförorening.
• Utmaningar med selektivitet: Det kan vara svårt att uppnå selektiv lakning av önskade metaller, vilket leder till lägre återvinningsgrader och potentiell förlust av värdefulla resurser.

 

Fördelar med ultraljudslakning av batterier jämfört med konventionella tekniker

Jämfört med både pyrometallurgiska och hydrometallurgiska återvinningstekniker är batteriåtervinning med ultraljud överlägsen tack vare flera fördelar:

1. Ökad effektivitet: Ultraljudsbehandling kan påskynda nedbrytningen av batterimaterial, vilket ger kortare bearbetningstider och högre total effektivitet.
2. Förbättrade återvinningsgrader: Kontrollerad användning av ultraljudskavitation förbättrar nedbrytningen av batterikomponenter och ökar därmed återvinningsgraden för värdefulla metaller.
3. Miljövänlig: Återvinning med ultraljud minskar beroendet av höga temperaturer och aggressiva kemikalier, vilket minimerar miljöpåverkan och minskar utsläppen av föroreningar.
4. Selektiv lakning: Den kontrollerade användningen av ultraljud möjliggör riktad sönderdelning av specifika komponenter i batteriet, så att de separeras effektivt. Eftersom olika återvinningsbara batteriföreningar avlägsnas och löses upp vid specifika ultraljudsintensiteter möjliggör optimerade processparametrar selektiv lakning av enskilda material. Detta underlättar effektiv separation av värdefulla metaller och material.
5. Minskad energiförbrukning: Jämfört med både hydrometallurgiska och i synnerhet pyrometallurgiska metoder är ultraljudsåtervinning i allmänhet mer energieffektiv, vilket leder till lägre driftskostnader och minskat koldioxidavtryck.
6. Skalbarhet och flexibilitet: Ultraljudssystem kan enkelt skalas upp eller ned för att anpassas till olika batteristorlekar och produktionskapaciteter. Dessutom kan ultraljudsapparater för batteriåtervinning enkelt integreras i redan befintliga batteriåtervinningsanläggningar. Ultraljudsapparater finns lätt tillgängliga i olika effektklasser och med passande tillbehör såsom ultraljudssonder och flödescellsreaktorer, och kan hantera batterikomponenter av olika storlekar och olika produktionskapaciteter, vilket ger skalbarhet och anpassningsförmåga i återvinningsprocesser.
7. Synergistisk integration: Ultraljudslakning kan integreras i befintliga hydrometallurgiska batteriåtervinningslinjer för att intensifiera och förbättra den hydrometallurgiska lakningen av värdefulla metaller och material från förbrukade litiumjonbatterier.

Sammantaget framstår ultraljudsbaserad batteriåtervinning som en lovande, mer miljövänlig, effektiv och selektiv metod jämfört med traditionella pyrometallurgiska och hydrometallurgiska metoder.

 

Industriell ultraljudslakning för metallåtervinning från förbrukade batterier

Ultraljudslakning och metallextraktion kan användas i återvinningsprocesser för litiumkoboltoxidbatterier (t.ex. från bärbara datorer, smarttelefoner osv.) liksom för komplexa litium-nickel-mangan-koboltbatterier (t.ex. från elfordon).
Högeffektsultraljud är välkänt för sin förmåga att behandla kemiska vätskor och suspensioner för att förbättra massöverföringen och initiera kemiska reaktioner.
De intensiva effekterna av behandling med högeffektsultraljud bygger på fenomenet akustisk kavitation. När högeffektsultraljud kopplas in i vätskor / suspensioner genererar de växlande lågtrycks- och högtrycksvågorna i vätskorna små vakuumbubblor. De små vakuumhålrummen växer under flera lågtrycks- / högtryckscykler tills de imploderar våldsamt. De kollapsande vakuumbubblorna kan betraktas som mikroreaktorer där temperaturer på upp till 5000K, tryck på upp till 1000atm och uppvärmnings- och kylningshastigheter över 10^-10 förekommer. Dessutom genereras starka hydrodynamiska skjuvkrafter och vätskestrålar med hastigheter på upp till 280m/s. Dessa extrema förhållanden vid akustisk kavitation skapar extraordinära fysikaliska och kemiska förhållanden i annars kalla vätskor och skapar en gynnsam miljö för kemiska reaktioner (så kallad sonokemi).

Ultraljudsgenererad kavitation kan inducera termolys av lösta ämnen samt bildning av mycket reaktiva radikaler och reagenser, såsom fria radikaler, hydroxidjoner (•OH,) och hydronium (H₃O+) osv., vilka skapar extraordinärt reaktiva förhållanden i vätskan så att reaktionshastigheten ökar avsevärt. Fasta ämnen såsom partiklar accelereras av vätskestrålarna och mals genom kollisioner mellan partiklar och nötning, vilket ökar den aktiva ytan och därmed massöverföringen.
Den stora fördelen med ultraljudslakning och metallåtervinning är den precisa kontrollen över processparametrarna såsom amplitud, tryck och temperatur. Dessa parametrar gör det möjligt att anpassa reaktionsförhållandena exakt till processmediet och det önskade resultatet. Dessutom avlägsnar ultraljudslakning även de minsta metallpartiklarna från substratet samtidigt som mikrostrukturerna bevaras. Den förbättrade metallåtervinningen beror på att ultraljudet skapar mycket reaktiva ytor, ökar reaktionshastigheterna och förbättrar masstransporten. Ultraljudsprocesser kan optimeras genom att påverka varje parameter och är därför inte bara mycket effektiva utan också mycket energieffektiva.
Den exakta parameterkontrollen och energieffektiviteten gör ultraljudslakning till den fördelaktiga och överlägsna tekniken – särskilt jämfört med komplicerade tekniker för syralakning och kelatbildning.

Ultraljudsåtervinning av LiCoO₂ från förbrukade litiumjonbatterier

Ultraljudsbehandling underlättar den reduktiva lakningen och den kemiska utfällningen, vilka används för att återvinna Li som Li₂CO₃ och Co som Co(OH)₂ från uttjänta litiumjonbatterier.
Zhang et al. (2014) rapporterar framgångsrik återvinning av LiCoO₂ med hjälp av en ultraljudsreaktor. För att bereda utgångslösningen på 600mL placerade de 10g obrukbart LiCoO₂ -pulver i en bägare och tillsatte LiOH-lösning med koncentrationen 2,0mol/L, varefter innehållet blandades.
Blandningen hälldes in för ultraljudsbestrålning och omröraren startades. Omröraren placerades inuti reaktionskärlet. Blandningen värmdes till 120◦C, och sedan ställdes ultraljudsutrustningen in på 800W och ultraljudets driftläge ställdes in på pulsade arbetscykler med 5 sek. PÅ / 2sek. AV. Ultraljudsbestrålningen pågick i 6h, och därefter svalnade reaktionsblandningen till rumstemperatur. Den fasta återstoden tvättades flera gånger med avjoniserat vatten och torkades vid 80◦C till konstant vikt. Det erhållna provet samlades in för efterföljande tester och batteritillverkning. Laddningskapaciteten i den första cykeln är 134,2mAh/g och urladdningskapaciteten är 133,5mAh/g. Verkningsgraden för den första laddningen och urladdningen var 99,5%. Efter 40 cykler är urladdningskapaciteten fortfarande 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Ultraljudslakning med organiska syror såsom citronsyra är inte bara effektiv utan också miljövänlig. Forskning visade att lakningen av Co och Li är effektivare med citronsyra än med de oorganiska syrorna H2SO4 och HCl. Mer än 96% Co och nästan 100% Li återvanns från förbrukade litiumjonbatterier. Att organiska syror såsom citronsyra och ättiksyra är billiga och biologiskt nedbrytbara bidrar till ytterligare ekonomiska och miljömässiga fördelar med ultraljudsbehandling.

Industriellt högeffektsultraljud för metallakning ur förbrukade batterier

Hielscher Ultrasonics är din leverantör med lång erfarenhet av högeffektiva och tillförlitliga ultraljudssystem som levererar den effekt som krävs för att laka ut metaller ur avfallsmaterial. För att upparbeta litiumjonbatterier genom att extrahera metaller som kobolt, litium, nickel och mangan krävs kraftfulla och robusta ultraljudssystem. Industrienheter från Hielscher Ultrasonics, såsom UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) och UIP16000 (16kW), är de mest kraftfulla och robusta högpresterande ultraljudssystemen på marknaden. Alla våra industrienheter kan köras kontinuerligt med mycket höga amplituder på upp till 200µm vid drift dygnet runt. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder. Hielschers robusta ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt vid hög belastning och i krävande miljöer. Hielscher levererar även specialsonotroder och reaktorer för höga temperaturer, höga tryck och korrosiva vätskor. Detta gör våra industriella ultraljudsapparater allra bäst lämpade för extraktionsmetallurgiska tekniker, t.ex. hydrometallurgiska behandlingar.

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:

---

---

Litteratur/referenser

• 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.