Ultraljud för återvinning av litiumjonbatterier

  • Litiumjonbatterier som används i elbilar kommer just nu till massmarknaden och därmed måste återvinningskapaciteten utvecklas.
  • Ultraljudsläckning är en effektiv, miljövänlig teknik för att återvinna metaller som Li, Mg, Co, Ni etc. från förbrukade Li-ion-batterier.
  • Hielscher industriella ultraljud system för urlakning applikationer är tillförlitliga och robusta och kan enkelt integreras i befintliga återvinningsanläggningar.

Återvinning av litiumjonbatterier

Litium jon batterier används ofta i El bilar (EV), bärbara datorer och mobil telefoner. Detta innebär att förbrukade litium jon batterier är en aktuell utmaning när det gäller avfalls hantering och återvinning. Batterierna är en stor kostnad driv kraft för EVs, och deras förfogande är dyrt, alltför. Miljömässiga och ekonomiska aspekter driver på en sluten återvinnings slinga eftersom batteri avfallet innehåller värdefulla material och bidrar till att minska koldioxid utsläppen i tillverkningen av litium jon batterier.
Återvinning av Li-ion-batterier växer till en blomstrande industrisektor för att säkerställa framtida tillgång till sällsynta jordartsmetaller och andra batterikomponenter och att minska miljökostnaderna för gruvdrift.

Informationsförfrågan




Notera vår Integritetspolicy.


Hielscher's ultrasonicators are reliable and robust systems for the leaching of metals.

48kW ultraljuds processor
för krävande applikationer som utlakning av metaller

Pyrometallurgisk och hydrometallurgisk återvinning vs återvinning av ultraljud batteri

Nedan jämför vi de konventionella metoderna för pyrometallurgiska och hydrometallurgiska processer med ultraljudsutlakningstekniken avseende fördelar och nackdelar.

Nackdelarna med konventionell batteriåtervinning

Traditionella metoder som används för återvinning av litiumjonbatterier inkluderar pyrometallurgiska och hydrometallurgiska processer.
 
Pyrometallurgiska metoder involverar högtemperaturprocesser som smältning eller förbränning. Batterierna utsätts för extrem värme, vilket gör att de organiska komponenterna brinner av och de återstående metallkomponenterna smälts och separeras. Dessa metoder har emellertid vissa nackdelar:

  • Miljöpåverkan: Pyrometallurgiska processer släpper ut skadliga utsläpp och föroreningar i atmosfären, vilket bidrar till luftföroreningar och potentiellt orsakar 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 extrahera värdefulla metaller. Medan mer miljövänliga 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.
  • Selektivitet Utmaningar: Att uppnå selektiv urlakning av önskade metaller kan vara svårt, vilket leder till lägre återvinningsgrad och potentiell förlust av värdefulla resurser.

 

Fördelar med ultraljud batteri urlakning över konventionella tekniker

Jämfört med båda, pyrometallurgiska och hydrometallurgiska återvinningstekniker, ultraljud batteri återvinningsteknik outcompetes 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 återvinningsgrader: Den kontrollerade tillämpningen av ultraljud kavitation förbättrar nedbrytningen av batterikomponenter, vilket ökar återvinningsgraden för värdefulla metaller.
  3. Miljövänlig: Ultraljud återvinning minskar beroendet av höga temperaturer och hårda kemikalier, minimera miljöpåverkan och sänka utsläppen av föroreningar.
  4. Selektiv urlakning: Den kontrollerade tillämpningen av ultraljud möjliggör riktade störningar av specifika komponenter i batteriet och 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 effektiv separation av värdefulla metaller och material.
  5. Minskad energiförbrukning: Jämfört med båda, hydrometallurgiska och särskilt pyrometallurgiska metoder, ultraljud återvinning är 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 produktionskapacitet. Dessutom kan ultraljudsapparater för batteriåtervinning enkelt integreras i redan befintliga batteriåtervinningsanläggningar. Lätt tillgänglig på olika effektskalor och matchande tillbehör som ultraljudssonder och flödescellreaktorer, kan ultrasonicators hantera batterier, komponenter, olika storlekar och produktionskapacitet, vilket ger skalbarhet och anpassningsförmåga i återvinningsprocesser.
  7. Synergistisk integration: Ultraljud urlakning kan integreras i befintliga hydrometallurgiska batteri återvinningslinjer för att intensifiera och förbättra hydrometallurgisk urlakning av värdefulla metaller och material från förbrukade Li-ion batterier.

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

 

Kraftfull ultraljud kavitation på Hielscher Cascatrode

Kraftfull ultraljud kavitation på Hielscher Cascatrode

 

Informationsförfrågan




Notera vår Integritetspolicy.


Industriell ultraljudslakning för metallåtervinning från förbrukade batterier

Ultraljudsutlakning och metallutvinning kan tillämpas på återvinningsprocesser av litium koboltoxidbatterier (t.ex. från bärbara datorer, smartphones etc.) samt komplexa litium-nickel-mangan-koboltbatterier (t.ex. från elbilar).
Industriell ultraljudsreaktor med flera sonder för metallåtervinning från förbrukade Li-ion-batterier. Ultarsonisk urlakning ger höga återvinningsutbyten av litium, kobolt, koppar, aluminium och nickel.Högkvalitativ ultraljud är väl känd för sin förmåga att bearbeta kemiska vätskor och uppslamningar för att förbättra massöverföring och initiera kemiska reaktioner.
De intensiva effekterna av maktens ultraljud baseras på fenomenet akustisk kavitation. Genom att koppla högkvalitativ ultraljud till vätskor / uppslamningar genererar de alternerande lågtrycks- och högtrycksvågorna i vätskor små vakuumbubblor. De små vakuumhålorna växer över olika lågtrycks- / högtryckscykler tills imploderar kraftigt. De kollapsande vakuumbubblorna kan betraktas som mikroreaktorer i vilka temperaturer upp till 5000 K, tryck på upp till 1000atm och uppvärmnings- och kylningshastigheter över 10-10 hända. Dessutom genereras starka hydrodynamiska skjuvkrafter och vätskestrålar med upp till 280 m/s hastighet. Dessa extrema förhållanden för akustisk kavitation skapar extraordinära fysiska och kemiska förhållanden i annars kalla vätskor och skapar en gynnsam miljö för kemiska reaktioner (så kallade sonochemistry).

Ultraljudsläckning vid återvinning av förbrukade Li-Ion-batterier. (Klicka för att förstora!)

Ultraljudsutloggning av metaller från uttömt batteriförbrukning.

Ultraljudsgenererad kavitation kan inducera termolys av lösta ämnen samt bildandet av högeffektiva radikaler och reagens, såsom fria radikaler, hydroxidjoner (• OH) hydronium (H3O +) etc., vilket ger extraordinära reaktiva betingelser i vätskan så att reaktionshastigheten ökas signifikant. Fasta ämnen, såsom partiklar, accelereras av vätskestrålarna och fräsas genom interpartikulär kollision och nötning som ökar den aktiva ytan och därmed massöverföring.
Den stora fördelen med ultraljudsläckning och metallåtervinning är den exakta kontrollen över processparametrarna, såsom amplitud, tryck och temperatur. Dessa parametrar tillåter att justera reaktionsbetingelserna exakt till processmediet och den riktade utsignalen. Vidare avlägsnar ultraljudsutlakning även de minsta metallpartiklarna från substratet, samtidigt som mikrostrukturer bevaras. Den förbättrade metallåtervinningen beror på ultraljudsupprättandet av högaktiva ytor, ökade reaktionshastigheter och förbättrad masstransport. Sonikeringsprocesser kan optimeras genom att påverka varje parameter och är därför inte bara mycket effektiva men också mycket energieffektiva.
Dess exakta parameterstyrning och energieffektivitet gör ultraljudsläckning den gynnsamma och utmärkta tekniken – speciellt i jämförelse med komplicerade syralakning och kelationstekniker.

Ultraljudsåterställning av LiCoO2 från förbrukade litium-jonbatterier

Ultraljud hjälper till reduktiv utlakning och kemisk utfällning, som används för att återvinna Li som Li2CO3 och Co som Co (OH)2 från litiumjonbatterier.
Zhang et al. (2014) rapportera om framgångsrik återhämtning av LiCoO2 med användning av en ultraljudsreaktor. för att förbereda utgångslösningen av 600 ml placerades de 10 g ogiltig LiCoO2 pulver i en bägare och tillsatt 2,0 mol / 1 LiOH-lösning, som blandades.
Blandningen hälldes i ultraljudsbestrålningen och omrörningsanordningen började, omrörningsanordningen placerades i reaktionsbehållarens inre. Det värmdes till 120◦C, och sedan ultraljudsanordning sattes till 800W och ultraljudsverkningssättet sattes till pulserande arbetscykler på 5 sekunder. ON / 2sec. AV. Ultraljudsbestrålningen applicerades i 6 h, och sedan kyldes reaktionsblandningen till rumstemperatur. Den fasta återstoden tvättades flera gånger med avjoniserat vatten och torkades vid 80 ° C tills konstant vikt. Det erhållna provet uppsamlades för efterföljande testning och batteriproduktion. Laddningskapaciteten i första cykeln är 134,2mAh / g och utmatningskapaciteten är 133,5mAh / g. Första gången laddning och utsläpp effektivitet var 99,5%. Efter 40 cykler är utmatningskapaciteten fortfarande 132,9mAh / g. (Zhang et al., 2014)
 

Proby-typ ultraljud förbättrar urlakning och återvinning av ädla metaller och material från förbrukade Li-ion batterier. Hielscher Ultrasonics levererar nyckelfärdiga ultrasonicators redo för installation i batteriåtervinningsanläggning för förbättrad återvinning utbyten.

Använde LiCoO2-kristaller före (a) och efter (b) ultraljudsbehandling vid 120 ◦ C i 6 timmar.
Studie och bilder: ©Zhang et al. 2014

 
Ultraljud urlakning med organiska syror såsom citronsyra är inte bara effektiv men 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 såsom citronsyra och ättiksyra är billiga och biologiskt nedbrytbara, bidrar till ytterligare ekonomiska och miljömässiga fördelar med ultraljudsbehandling.

Högeffektiva industriella ultraljud för metallutlakning från förbrukade batterier

UIP4000hdT - Hielscher's 4kW high-performance ultrasonic system Hielscher Ultrasonics är din erfarna leverantör för mycket effektiva och pålitliga ultraljudssystem, som levererar den kraft som krävs för att läcka metaller från avfallsmaterial. För att upparbeta li-ion-batterier genom att extrahera metaller som kobolt, litium, nickel och mangan är kraftfulla och robusta ultraljudssystem viktiga. Hielscher Ultrasonics industriella enheter som UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW), och UIP16000 (16kW) är de mest kraftfulla och robusta högpresterande ultraljudssystem på marknaden. Alla våra industrienheter kan köras kontinuerligt med mycket höga amplituder på upp till 200μm i 24/7 drift. För ännu högre amplituder, anpassade ultraljud sonotrodes finns tillgängliga. Robustheten hos Hielscher ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tunga och krävande miljöer. Hielscher levererar speciella sonotroder och reaktorer för höga temperaturer, tryck och frätande vätskor också. Detta gör våra industriella ultrasonicators mest lämpade för extraktiv metallurgi tekniker, t.ex. hydrometallurgiska behandlingar.

Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera:

batch VolymFlödeshastighetRekommenderade Devices
0.1 till 20L0.2 till 4L / minUIP2000hdT
10 till 100 liter2 till 10 1 / minUIP4000hdT
20 till 200L4 till 20L/minUIP6000hdT
n.a.10 till 100 l / minUIP16000
n.a.störrekluster av UIP16000

Kontakta oss! / Fråga oss!

Använd formuläret nedan om du vill begära ytterligare information om ultraljud homogenisering. Vi ska vara glada att kunna erbjuda dig ett ultraljud system som uppfyller dina krav.









Observera att våra Integritetspolicy.




Fakta Värt att veta

Litiumjonbatterier

Litiumjonbatterier (LIB) är den kollektiva termen för (uppladdningsbara) batterier som erbjuder hög energidensitet och är ofta integrerade i konsumentelektronik som elektroniska bilar, hybridbilar, bärbara datorer, mobiltelefoner, iPod, etc. I jämförelse med Andra varianter av laddningsbara batterier med liknande storlek och kapacitet, LIBs är betydligt lättare.
Till skillnad från det engångs-litiumbaserade batteriet använder en LIB interkalierad litiumförening istället för metalliskt litium som sin elektrod. De viktigaste beståndsdelarna i ett litiumjonbatteri är dess elektroder – anod och katod – och elektrolyten.
De flesta celler delar gemensamma komponenter i form av elektrolyt, separator, folier och hölje. Den stora skillnaden mellan cellteknik är materialet som används som “aktiva material” såsom katod och anod. Grafit är det mest använda materialet som anod, medan katoden är tillverkad av skiktad LiMO2 (M = Mn, Co och Ni), spinel LiMn2den4, eller olivin LiFePO4. De elektrolytiska organiska flytande elektrolyterna (t.ex. LiPF6-salt upplöst i en blandning av organiska lösningsmedel, såsom etylkarbonat (EC), dimetylkarbonat (DMC), dietylkarbonat (DEC), etylmetylkarbonat (EMC) jonisk rörelse.
Beroende på de positiva (katod) och negativa (anod) elektrodmaterialen varierar energitätheten och spänningen hos LIB-varianter.
Vid användning i elfordon används ofta el-batteri (EVB) eller dragbatteri. Sådana dragbatterier används i gaffeltruckar, elektriska golfbilar, golvskrubber, elektriska motorcyklar, elbilar, lastbilar, skåpbilar och andra elektriska fordon.

Metallåtervinning från förbrukade Li-Ion-batterier

I jämförelse med andra typer av batterier som ofta innehåller bly eller kadmium innehåller Li-ion-batterier mindre giftiga metaller och anses därför vara miljövänliga. Men den stora mängd förbrukade Li-ion-batterier, som kommer att behöva användas som förbrukade batterier från elbilar, uppvisar ett avfallsproblem. Därför behövs en sluten återvinningsslinga av Li-ion-batterier. Från en ekonomisk synvinkel kan metallelement som järn, koppar, nickel, kobolt och litium återvinnas och återanvändas vid framställning av nya batterier. Återvinning skulle kunna förhindra en framtida brist också.
Även om batterier med högre nickelbelastningar kommer in på marknaden är det inte möjligt att producera batterier utan kobolt. Högre nickelhalt kommer till en kostnad: Med ett ökat nickelinnehåll minskar batteriets stabilitet och därigenom minskar dess livslängd och snabbladdningens förmåga.

Tillväxt efterfrågan på Li-ion-batterier. Källa: Deutsche Bank

Den växande efterfrågan på Li-ion-batterier kräver ökad återvinningskapacitet för släckta batterier.

Återvinningsprocess

Batterier av elektriska fordon som Tesla Roadster har en ungefärlig livslängd på 10 år.
Återvinning av uttömda Li-ion-batterier är en krävande process eftersom högspänning och farliga kemikalier är inblandade, vilket medför riskerna för termisk bortfall, elektriska stötar och utsläpp av farliga ämnen.
För att upprätta en återvinning med sluten slinga måste varje kemisk bindning och alla element separeras i sina individuella fraktioner. Emellertid är den energi som krävs för en sådan sluten slingåtervinning väldigt dyr. De mest värdefulla materialen för återvinning är metaller som Ni, Co, Cu, Li, etc. Eftersom dyra gruv och höga marknadspriser på metallkomponenter gör återvinningen ekonomiskt attraktiv.
Återvinningsprocessen för Li-ion-batterier börjar med demontering och urladdning av batterierna. Innan batteriet öppnas krävs en passivering för att inaktivera kemikalierna i batteriet. Passivation kan uppnås genom kryogen frysning eller kontrollerad oxidation. Beroende på batteriets storlek kan batterierna demonteras och demonteras ner till cellen. Efter demontering och krossning isoleras komponenterna genom flera metoder (t ex screening, siktning, handplockning, magnetisk, våt och ballistisk separation) för att avlägsna cellhöljen, aluminium, koppar och plast från elektrodpulvret. Separationen av elektrodmaterialen är nödvändig för nedströms processer, t ex hydrometallurgisk behandling.
pyrolys
För pyrolytisk bearbetning smältas strimlade batterier i en ugn där kalksten läggs till som slaggbildande medel.

Hydrotermiska processer
Hydrometallurgisk bearbetning baseras på syrereaktioner för att fälla salterna som metaller. Typiska hydrometallurgiska processer innefattar utlakning, utfällning, jonbyte, lösningsmedelsextraktion och elektrolys av vattenhaltiga lösningar.
Fördelen med hydrotermisk bearbetning är det höga utvinningsutbytet av + 95% Ni och Co som salter, + 90% Li kan utfällas och resten kan återvinnas upp till + 80%.

Speciellt kobolt är en kritisk komponent i litiumjonbatterier för hög energi- och kraftapplikationer.
Nuvarande hybridbilar, såsom Toyota Prius, använder nickelmetallhydridbatterier, som demonteras, urladdas och återvinns på liknande sätt som Li-ion-batterier.

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.

Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudsapparater.

Kraftfull sonication från labb och bänk till industriproduktion.

Vi diskuterar gärna din process.

Låt oss komma i kontakt.