Ultraljud för återvinning av litiumjonbatterier

• Litiumjonbatterier som används i elbilar är just nu på väg ut på massmarknaden och i takt med det måste återvinningskapaciteten utvecklas.
• Ultraljudslakning är en effektiv, miljövänlig teknik för att återvinna metaller som Li, Mg, Co, Ni etc. från förbrukade Li-ionbatterier.
• Hielscher industriella ultraljudssystem för lakningsapplikationer är pålitliga och robusta och kan enkelt integreras i befintliga återvinningsanläggningar.

Återvinning av litiumjonbatterier

Litiumjonbatterier används i stor utsträckning i elfordon, bärbara datorer och mobiltelefoner. Detta innebär att förbrukade litiumjonbatterier är en aktuell utmaning när det gäller avfallshantering och återvinning. Batterierna är en stor kostnadsdrivare för elbilar, och det är också dyrt att kassera dem. Miljömässiga och ekonomiska aspekter driver på för ett slutet återvinningskretslopp eftersom batteriavfallet innehåller värdefulla material och bidrar till att minska koldioxidavtrycket vid tillverkning 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 miljökostnaderna för gruvdrift.

Pyrometallurgisk och hydrometallurgisk återvinning vs återvinning av ultraljudsbatterier

Nedan jämför vi de konventionella metoderna för pyrometallurgiska och hydrometallurgiska processer med ultraljudslakningstekniken med avseende på för- och nackdelar.

Nackdelarna med konventionell batteriåtervinning

Traditionella metoder som används för återvinning av litiumjonbatterier inkluderar pyrometallurgiska och hydrometallurgiska processer.
 
Pyrometallurgiska metoder processer vid hög temperatur, t.ex. smältning eller förbränning. Batterierna utsätts för extrem värme, vilket gör att de organiska komponenterna brinner av, och de återstående metalliska komponenterna smälts och separeras. Dessa metoder har dock vissa nackdelar:

• Miljöpåverkan: Pyrometallurgiska processer släpper ut skadliga utsläpp och föroreningar i atmosfären, vilket bidrar till luftföroreningar och kan orsaka hälsorisker.
• Förlust av material: 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 betydande energitillförsel, vilket ökar driftskostnaderna och miljöavtrycket.

 
Hydrometallurgiska metoder Involvera kemisk urlakning för att lösa upp batterikomponenterna och utvinna värdefulla metaller. Även om det är mer miljövänligt än pyrometallurgiska metoder, har hydrometallurgi sina egna nackdelar:

• Kemisk användning: Starka syror eller andra frätande kemikalier behövs för urlakning, vilket väcker oro för kemikaliehantering, avfallshantering och potentiell miljöförorening.
• Utmaningar med selektivitet: Att uppnå selektiv urlakning av önskade metaller kan vara svårt, vilket leder till lägre återvinningshastigheter och potentiell förlust av värdefulla resurser.

 

Fördelar med ultraljudsbatteriurlakning jämfört med konventionella tekniker

Jämfört med både pyrometallurgiska och hydrometallurgiska återvinningstekniker konkurrerar återvinningstekniken för ultraljudsbatterier ut på grund av olika fördelar:

1. Förbättrad effektivitet: Ultraljud ultraljudsbehandling kan påskynda nedbrytningen av batterimaterial, vilket resulterar i kortare bearbetningstider och högre total effektivitet.
2. Förbättrade återvinningsfrekvenser: Den kontrollerade tillämpningen av ultraljudskavitation förbättrar nedbrytningen av batterikomponenter, vilket ökar återvinningsgraden för värdefulla metaller.
3. Miljövänlig: Ultraljudsåtervinning minskar beroendet av höga temperaturer och starka kemikalier, minimerar miljöpåverkan och minskar utsläppen av föroreningar.
4. Selektiv urlakning: Den kontrollerade appliceringen av ultraljud gör det möjligt att rikta störningar av specifika komponenter i batteriet, vilket separerar dem effektivt. Eftersom olika återvinningsbara batteriföreningar avlägsnas och löses upp under specifika ultraljudsintensiteter, möjliggör optimerade bearbetningsparametrar en selektiv urlakning av enskilda material. Detta underlättar en effektiv separering av värdefulla metaller och material.
5. Minskad energiförbrukning: Jämfört med både de hydrometallurgiska och särskilt pyrometallurgiska metoderna är ultraljudsåtervinning i allmänhet mer energieffektiv, vilket leder till lägre driftskostnader och minskat koldioxidavtryck.
6. Skalbarhet och flexibilitet: Ultraljudssystem kan enkelt skalas upp eller ner för att rymma olika batteristorlekar och produktionskapaciteter. Dessutom kan ultraljudsapparater för batteriåtervinning enkelt integreras i redan befintliga batteriåtervinningsanläggningar. Ultraljudsapparater är lätt tillgängliga vid olika effektskalor och matchande tillbehör som ultraljudssonder och flödescellsreaktorer och kan hantera batterikomponenter i olika storlekar och 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 urlakningen av värdefulla metaller och material från förbrukade Li-ion-batterier.

Sammantaget visar återvinning av ultraljudsbatterier lovande som en mer miljövänlig, effektiv och selektiv metod jämfört med traditionella pyrometallurgiska och hydrometallurgiska metoder.

 

Industriell ultraljudsurlakning för metallåtervinning från förbrukade batterier

Ultraljudslakning och metallutvinning kan tillämpas på återvinningsprocesser av litium-koboltoxidbatterier (t.ex. från bärbara datorer, smartphones, etc.) samt av komplexa litium-nickel-mangan-koboltbatterier (t.ex. från elfordon).
Ultraljud med hög effekt är välkänt för sin förmåga att bearbeta kemiska vätskor och uppslamningar för att förbättra massöverföringen och initiera kemiska reaktioner.
De intensiva effekterna av kraft ultraljud är baserade på fenomenet akustisk kavitation. Genom att koppla högeffekts ultraljud till vätskor / slurry genererar de växlande lågtrycks- och högtrycksvågorna i vätskor små vakuumbubblor. De små vakuumhålrummen växer över olika 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 kylhastigheter över 10^-10 hända. Dessutom genereras starka hydrodynamiska skjuvkrafter och vätskestrålar med en hastighet på upp till 280 m/s. Dessa extrema förhållanden med akustisk kavitation skapar extraordinära fysikaliska och kemiska förhållanden i annars kalla vätskor och skapar en gynnsam miljö för kemiska reaktioner (så kallade Sonokemi).

Ultraljudsgenererad kavitation kan inducera termolys av lösta ämnen samt bildning av mycket reaktiva radikaler och reagenser, såsom fria radikaler, hydroxidjoner (•OH,) hydronium (H₃O+) etc., som ger extraordinära reaktiva förhållanden i vätskan så att reaktionshastigheten ökar avsevärt. Fasta ämnen som partiklar accelereras av vätskestrålarna och mals genom kollision och nötning, vilket ökar den aktiva ytan och därmed massöverföringen.
Den stora fördelen med ultraljudslakning och metallåtervinning är den exakta kontrollen över processparametrarna som amplitud, tryck och temperatur. Dessa parametrar gör det möjligt att anpassa reaktionsförhållandena exakt till processmediet och den riktade produktionen. Dessutom avlägsnar ultraljudslakning även de minsta metallpartiklarna från substratet, samtidigt som mikrostrukturerna bevaras. Den förbättrade metallåtervinningen beror på ultraljudsskapandet av mycket reaktiva ytor, ökade reaktionshastigheter och förbättrad masstransport. Ultraljudsbehandling processer kan optimeras genom att påverka varje parameter och är därför inte bara mycket effektiva utan också mycket energieffektiva.
Dess exakta parameterkontroll och energieffektivitet gör ultraljudslakning till den gynnsamma och utmärkta tekniken – Speciellt jämfört med komplicerade syralaknings- och keleringstekniker.

Ultraljudsåterhämtning av LiCoO₂ från förbrukade litiumjonbatterier

Ultraljud hjälper den reduktiva urlakning och kemisk utfällning, som används för att återvinna Li som Li₂CO₃ och Co som Co(OH)₂ från förbrukade litiumjonbatterier.
Zhang et al. (2014) rapporterar den framgångsrika återhämtningen av LiCoO₂ med hjälp av en ultraljudsreaktor. för att bereda startlösningen på 600 ml placerade de 10 g ogiltig LiCoO₂ pulver i en bägare och tillsatte 2,0 mol/L LiOH-lösning, som blandades.
Blandningen hälldes i ultraljudsbestrålningen och omrörningsanordningen startade, omrörningsanordningen placerades i det inre av reaktionsbehållaren. Den värmdes upp till 120◦C, och sedan Ultraljudsapparat var inställd på 800W och ultraljudsverkningssättet var inställt på pulsade arbetscykler på 5 sek. PÅ / 2 sek. AV. Ultraljudsbestrålningen applicerades i 6 timmar, och sedan kyldes reaktionsblandningen till rumstemperatur. Den fasta återstoden tvättades flera gånger med avjoniserat vatten och torkades vid 80◦C tills den var konstant vikt. Det erhållna provet samlades in för efterföljande testning och batteriproduktion. Laddningskapaciteten i den första cykeln är 134,2 mAh/g och urladdningskapaciteten är 133,5 mAh/g. Första gångens laddnings- och urladdningseffektivitet var 99,5 %. Efter 40 cykler är urladdningskapaciteten fortfarande 132,9 mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Ultraljudsurlakning med organiska syror som citronsyra är inte bara effektiv utan också miljövänlig. Forskning visade att urlakningen 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. Det faktum att organiska syror som citronsyra och ättiksyra är billiga och biologiskt nedbrytbara, bidrar till ytterligare ekonomiska och miljömässiga fördelar med ultraljudsbehandling.

Högeffektiva industriella ultraljud för metallurlakning från förbrukade batterier

Hielscher Ultrasonics är din långvariga leverantör av högeffektiva och pålitliga ultraljudssystem, som levererar den kraft som krävs för att läcka ut metaller från avfallsmaterial. För att upparbeta litiumjonbatterier genom att utvinna metaller som kobolt, litium, nickel och mangan är kraftfulla och robusta ultraljudssystem nödvändiga. Hielscher Ultrasonics industriella enheter som UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) och UIP16000 (16kW) är de mest kraftfulla och robusta högpresterande ultraljudssystemen på marknaden. Alla våra industriella enheter kan köras kontinuerligt med mycket höga amplituder på upp till 200 μm i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tung belastning och i krävande miljöer. Hielscher levererar även speciella sonotroder och reaktorer för höga temperaturer, tryck och frätande vätskor. Detta gör våra industriella ultraljudsapparater mest lämpliga för extraktiva metallurgiska tekniker, t.ex. hydrometallurgiska behandlingar.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

---

---

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.