Reciclaje de baterías de iones de litio

El reciclaje de las baterías de iones de litio (Li-ion) implica recoger y clasificar las baterías usadas, descargarlas para garantizar la seguridad y, luego, desmontarlas con el fin de separar los componentes. Las pilas se aplastan y trituran, y el material resultante se tamiza y se clasifica para aislar los elementos valiosos. 

La sustancia en polvo fino que resulta de los procesos de trituración y tamizado se conoce como “masa negra”. Contiene metales valiosos como litio, cobalto, níquel y manganeso. Esta masa negra se somete a un procesamiento adicional a través de métodos hidrometalúrgicos (que incluyen lixiviación, extracción de solventes y precipitación) o métodos pirometalúrgicos (que incluyen fundición y refinamiento) para recuperar estos metales. 

Las técnicas de reciclaje más eficientes suelen implicar enfoques híbridos que combinan la pirometalurgia y la hidrometalurgia. Luego, los metales recuperados se vuelven a utilizar a fin de producir materiales de electrodos para las baterías nuevas.

Sin embargo, el reciclaje de la masa negra puede ser un desafío, en parte, porque las baterías de ion de litio no son todas iguales. Específicamente, existen dos tipos de química prominentes: NMC (níquel, manganeso, cobalto) y LMFP (litio, manganeso y fosfato de hierro). Dentro de las NMC, están las variantes NCM111, NMC622, NMC811, etc., en las que el valor numérico indica el porcentaje atómico relativo de cada elemento. Asimismo, las LMFP puede tener una cantidad variable de manganeso. La química variable requiere que la masa negra se caracterice y se califique adecuadamente antes de pasar por el proceso de reciclaje.

A menudo, esta composición química variable implica un control limitado de los tipos de baterías que llegan para el reciclaje de baterías de iones de litio. Por consiguiente, cualquier proceso de tratamiento para el reciclaje de baterías debe incluir una evaluación de la composición química de las baterías entrantes y sus fases cristalinas. Nuestras soluciones basadas en neutrones y rayos X pueden ayudarlo en este proceso, tanto con análisis de composición química como de fase cristalina. 

Además, la eficiencia del proceso de lixiviación hidrometalúrgica puede evaluarse con nuestras soluciones de XRF en línea y de laboratorio, incluido el análisis de impurezas incorporadas. Además, nuestros analizadores de tamaño de partícula se pueden utilizar para determinar el tamaño de partícula en todo el proceso de reciclaje, desde la masa negra hasta los productos terminados.

La composición elemental de la masa negra extraída se puede analizar en línea con nuestro analizador de banda en línea CNA o sin conexión mediante nuestra gama para sistemas de XRF. 

Análisis elemental de banda en línea: La química variable de las baterías recicladas significa que la masa negra extraída es un material heterogéneo, lo que hace que el análisis de laboratorio de una muestra pequeña no sea representativa de todo el material. Los analizadores de banda en línea pueden analizar la masa negra a granel extraída a escala industrial, y proporcionan una composición promedio de todo el material. Nuestro analizador de banda en línea CNA Pentos, basado en la tecnología de neutrones conmutable de impulsos rápidos y activación térmica de neutrones (PFTNA, del inglés “pulsed fast thermal neutron activation”), ofrece medición directa a granel de todos los elementos clave como Ni, Co, Mn, Fe, P, etc., en la masa negra entrante. 

El CNA proporciona un análisis elemental en línea de alta frecuencia del material a granel en la banda. No se requiere muestreo, ya que el material se mide en tiempo real en la banda transportadora. Su diseño compacto y resistente se ubica completamente debajo de la banda, y la variación de la carga de la banda y el tamaño de partícula común en la masa negra extraída no afecta el rendimiento del sistema. Este elemento clave del diseño ayuda a proporcionar estabilidad y representatividad a fin de lograr un control eficiente del proceso.

La fluorescencia de rayos X (XRF) es otra técnica que se puede utilizar para analizar la masa negra en el laboratorio o cerca del proceso. La fluorescencia de rayos X (XRF) respalda significativamente el proceso de reciclaje de baterías al proporcionar un análisis rápido y preciso de la composición elemental de las baterías usadas con alta precisión. Su alta precisión permite a los recicladores identificar y cuantificar materiales valiosos como litio, cobalto, níquel y manganeso, optimizando el proceso de recuperación. También puede monitorear la calidad de los materiales recuperados, asegurando que cumplan con las especificaciones para su reutilización. Además, XRF detecta elementos peligrosos, lo que facilita su manipulación y eliminación seguras.

Para los elementos principales, XRF proporciona una forma más sencilla y precisa de medir la composición elemental que ICP, porque no requiere ninguna dilución de la muestra ni digestión ácida.

Muchas empresas líderes de baterías utilizan nuestros espectrómetros de mesa Epsilon 4 EDXRF o Zetium WDXRF para analizar sus materiales reciclados. También hemos introducido la gama Revontium de EDXRF de alto rendimiento que puede analizar elementos e impurezas en masa negra con alta exactitud y precisión.

La precisión de un análisis de XRF depende de la calidad de los estándares de calibración. Malvern Panalytical desarrolló sus estándares de calibración certificados internos, los que, junto con los sistemas de fusión de muestras Eagon 2 o FORJ, pueden proporcionar una receta perfecta para un análisis elemental cuantitativo exacto. 

Figura 1 (derecha): Una línea de calibración típica de Ni que utiliza nuestros estándares de referencia de NCM medidos en nuestro espectrómetro de XRF Epsilon 4. 

El análisis de la composición elemental de las soluciones lixiviadas en la extracción hidrotérmica puede proporcionar información valiosa sobre la eficiencia de la extracción de metales. Este análisis se puede realizar en línea con nuestra gama de analizadores de XRF Xflow. 

El análisis de líquidos en línea con Epsilon Xflow permite un control rápido y preciso de los parámetros de su proceso. 

El Epsilon Xflow permite obtener información en tiempo real, lo que le permite gestionar sus procesos de producción de manera más eficiente y reducir los costos operacionales.

El proceso de pretratamiento del reciclaje de baterías también puede verse afectado por la fase cristalina de los materiales de baterías. Además, cuando se trata de análisis de fase cristalina, la difracción de rayos X es la técnica de preferencia. Nuestro difractómetro de rayos X compacto Aeris, un instrumento fácil de utilizar con una calidad de datos excepcional, se puede emplear para analizar con precisión la composición de la fase cristalina en la masa negra y en materiales de baterías reciclados. 

Figura 2: Análisis de XRD típico de las fases cristalinas de masa negra medidas en nuestro difractómetro Aeris.

El tamaño y la forma de la partícula cumplen una función importante en toda la cadena de valor del reciclaje de baterías de masa negra para producir materiales de salida terminados. La masa negra debe molerse con un tamaño de partícula específico para lograr una lixiviación eficiente de los metales durante la extracción hidrotérmica. 

Muchas empresas de reciclaje producen materiales de electrodo o precursor de batería como su producto final, en los que el tamaño y la forma de las partículas se utilizan como parámetros esenciales de calidad.