إعادة تدوير الأقطاب – كفاءة عالية بفصل الطبقات بالموجات فوق الصوتية

يتيح فصل طبقات الأقطاب بالموجات فوق الصوتية استعادة المواد الفعالة مثل الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت وغيرها خلال ثوانٍ. وبذلك، يجعل فصل طبقات الأقطاب بالموجات فوق الصوتية استعادة المواد القابلة لإعادة الاستخدام من البطاريات أسرع وأكثر مراعاةً للبيئة وأقل استهلاكًا للطاقة بدرجة كبيرة. وقد أثبتت الأبحاث بالفعل أن فصل الطبقات بالموجات فوق الصوتية يمكن أن يكون أسرع بمقدار 100 مرة من تقنيات إعادة التدوير التقليدية.

الموجات فوق الصوتية عالية القدرة تحسّن استعادة المواد الفعالة من الأقطاب

يوفر فصل طبقات الأقطاب بمساعدة الموجات فوق الصوتية نهجًا سريعًا وفعالًا ومستدامًا لاستعادة المواد الفعالة والرقاقة. وتمثل هذه الأجزاء من القطب مواد قيّمة يمكن إعادة استخدامها لتصنيع بطاريات جديدة. ولا يقتصر فصل الطبقات بالموجات فوق الصوتية على كونه أكثر كفاءةً في استخدام الطاقة بدرجة كبيرة مقارنةً بعمليات إعادة التدوير بالمعالجة المائية للمعادن والمعالجة الحرارية للمعادن، بل ينتج أيضًا مواد ذات نقاء أعلى.

إعادة تدوير البطاريات: فصل الأقطاب وفصل طبقاتها

تهدف إعادة تدوير بطاريات أيونات الليثيوم (LIB) إلى استعادة المواد القيّمة. وتحتوي الأقطاب على مواد ثمينة ونادرة مثل الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت وغيرها، ويمكن استعادتها بكفاءة باستخدام عملية مستمرة لفصل الطبقات بالموجات فوق الصوتية. ويمكن للمعالجات بالموجات فوق الصوتية المزودة بمسبار (سونوترود) توليد سعات اهتزاز كبيرة. وتنقل سعة الاهتزاز الموجات فوق الصوتية إلى الوسط السائل (مثل حمام المذيب)، حيث تنشأ فقاعات فراغية دقيقة نتيجة دورات الضغط المرتفع / الضغط المنخفض المتناوبة. وتنمو هذه الفقاعات الفراغية على مدى بضع دورات حتى تصل إلى حجم لا تستطيع عنده امتصاص أي طاقة إضافية. وعند هذه النقطة، تنهار الفقاعات إلى الداخل بعنف. ويولّد انهيار الفقاعات موضعيًا بيئة ذات كثافة طاقة عالية جدًا، مع نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280m/s، واضطرابات شديدة، ودرجات حرارة مرتفعة جدًا (نحو 5,000K)، وضغوط (نحو 2,000atm)، وما يترتب على ذلك من فروق في درجات الحرارة والضغط.
تُعرف ظاهرة انهيار الفقاعات إلى الداخل بفعل الموجات فوق الصوتية بالتجويف الصوتي. وتزيل تأثيرات التجويف الصوتي الغشاء المركب من المادة الفعالة عن مجمّع التيار الرقيق المطلي على جانبيه بالغشاء المركب. وتتكون المادة الفعالة في معظمها من مزيج من مسحوق أكسيد الليثيوم والمنغنيز (LMO) وأكسيد الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت (LiNiMnCoO2 أو NMC)، بالإضافة إلى أسود الكربون بوصفه مادة مضافة موصلة للكهرباء.
تعتمد آلية فصل الطبقات بالموجات فوق الصوتية على قوى فيزيائية قادرة على كسر الروابط الجزيئية. وبفضل شدة الموجات فوق الصوتية عالية القدرة، غالبًا ما تكفي مذيبات أقل شدة لإزالة طبقات المادة الفعالة من الرقاقة أو مجمّع التيار. وبذلك، يكون فصل طبقات القطب بالموجات فوق الصوتية أسرع وأكثر مراعاةً للبيئة وأقل استهلاكًا للطاقة بدرجة كبيرة.

صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) توضح التغيرات المورفولوجية في المادة الفعالة للقطب عند فصل الطبقات بالموجات فوق الصوتية. التُقطت جميع الصور بتكبير 5000x وطاقة إثارة 10 kV. a) مادة المهبط قبل فصل الطبقات، b) المادة الفعالة للمهبط بعد فصل الطبقات، c) مادة المصعد قبل فصل الطبقات، وd) مادة المصعد بعد فصل الطبقات.
(الدراسة والصور: Lei et al., 2021)

تقطيع البطاريات مقابل فصل الأقطاب

لاستعادة المادة الفعالة، تُستخدم مذيبات مائية أو عضوية لإذابة الرقاقة المعدنية و/أو المادة الرابطة البوليمرية و/أو المادة الفعالة. ويؤثر تصميم العملية وتسلسلها تأثيرًا كبيرًا في النتيجة النهائية لاستعادة المواد. وتتضمن العملية التقليدية لإعادة تدوير البطاريات تقطيع وحدات البطارية. غير أن المكونات المقطّعة يصعب فصلها إلى مكونات منفردة. ويتطلب الحصول على مادة فعالة/قيّمة من الكتلة المقطّعة معالجة معقدة. ولإعادة استخدام المواد الفعالة المستعادة، يلزم تحقيق درجة معينة من النقاء. ويتطلب استخلاص مواد عالية النقاء من كتلة البطاريات المقطّعة عمليات معقدة ومذيبات شديدة التأثير، ولذلك يكون مكلفًا. ويُستخدم النض بالموجات فوق الصوتية بنجاح لتكثيف عملية استعادة المواد الفعالة من بطاريات أيونات الليثيوم المقطّعة وتحسين نتائجها.
وبوصفه عملية بديلة للتقطيع التقليدي، ثبت أن فصل الأقطاب عملية فعالة لإعادة تدوير البطاريات يمكنها تحسين نقاء المواد المستحصلة بدرجة كبيرة. وفي عملية فصل الأقطاب، تُفكَّك البطارية إلى مكوناتها الرئيسية. ولأن الأقطاب تحتوي على أكبر حصة من المواد القيّمة، يُفصل القطب ويُعالَج كيميائيًا لإذابة المواد الفعالة (الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت …) من الرقاقة المطلية أو مجمّع التيار. وتُعرف المعالجة بالموجات فوق الصوتية بتأثيراتها الشديدة الناتجة عن التجويف الصوتي. وتُحدث القوى الميكانيكية الناتجة عن الموجات الصوتية قدرًا كافيًا من الاهتزاز والقص لإزالة المواد الفعالة الموضوعة في طبقات على الرقاقة. (يشبه تركيب الرقاقة المطلية شطيرة، حيث تقع الرقاقة في الوسط وتشكل طبقة المادة الفعالة السطح الخارجي.)
سيكون فصل الأقطاب خيارًا أكثر جدوى من التقطيع عند استخدامه بالاقتران مع التفكيك الذاتي، مما يتيح تيارات نفايات أنقى واحتفاظًا أكبر بالقيمة في الإمداد

سونوترودات الموجات فوق الصوتية لفصل طبقات الأقطاب

تتوفر بسهولة سونوترودات خاصة توفر سعة الاهتزاز المطلوبة لإزالة المواد الفعالة من رقاقة القطب. وبما أن شدة التجويف الصوتي تنخفض مع زيادة المسافة بين السونوترود والقطب، فمن المفضّل الحفاظ باستمرار على مسافة ثابتة بينهما. وهذا يعني أنه ينبغي تحريك صفيحة القطب على مسافة قريبة أسفل طرف السونوترود، حيث تكون موجات الضغط قوية وكثافة التجويف مرتفعة. وباستخدام سونوترودات خاصة أعرض من المسبار الأسطواني القياسي للموجات فوق الصوتية، توفر Hielscher Ultrasonics حلًا فعالًا لفصل طبقات صفائح أقطاب المركبات الكهربائية بصورة متجانسة. فعلى سبيل المثال، يبلغ عرض الأقطاب المستخدمة في بطاريات المركبات الكهربائية (EV) ذات الخلايا الكيسية عادةً نحو 20 cm. وينقل سونوترود بالعرض نفسه التجويف الصوتي بصورة متجانسة إلى كامل سطح القطب. وبذلك، تتحرر طبقات المادة الفعالة في المذيب خلال ثوانٍ ويمكن استخلاصها وتنقيتها للحصول على مسحوق. ويمكن إعادة استخدام هذا المسحوق لإنتاج بطاريات جديدة.
ويفيد فريق البحث في مؤسسة Faraday Institution بالمملكة المتحدة بأن إزالة طبقات المادة الفعالة من قطب بطارية أيونات الليثيوم (LIB) يمكن إنجازها في أقل من 10 s عندما يقع القطب مباشرةً أسفل سونوترود عالي القدرة (1000 إلى 2000 W، مثل UIP1000hdT أو UIP2000hdT). وأثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية، تنكسر روابط الالتصاق بين المواد الفعالة ومجمّعات التيار، بحيث يمكن في خطوة تنقية لاحقة استعادة مجمّع تيار سليم ومادة فعالة على هيئة مسحوق.

صور توضح تأثير الموجات فوق الصوتية على الجانب الخلفي من: a) صفيحة مصعد بطارية أيونات الليثيوم، وb) صفيحة مهبط بطارية أيونات الليثيوم. فُصلت طبقات المصعد في محلول حمض الستريك بتركيز 0.05 M؛ وفُصلت طبقات المهبط في محلول NaOH بتركيز 0.1 M. كان قطر السونوترود 20 mm، مع تطبيق شدة قدرة تبلغ 120 W/cm2 لمدة 3 ثوانٍ، على مسافة 2.5 mm من السونوترود. وكان حجم العينة 3 cm x 3 cm.
(الدراسة والصور: Lei et al., 2021)

أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لفصل طبقات الأقطاب

تصمم Hielscher Ultrasonics معالجات عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية وتصنعها وتوزعها، وهي تعمل في نطاق 20kHz. وأجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher Ultrasonics هي معالجات بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة يمكنها توفير سعات اهتزاز مرتفعة جدًا للتطبيقات ذات المتطلبات العالية. ويمكن بسهولة التشغيل المستمر بسعات اهتزاز تصل إلى 200µm على مدار 24/7. وللحصول على سعات اهتزاز أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية. ولعملية فصل طبقات الأقطاب المستمرة، توفر Hielscher مجموعة من السونوترودات القياسية والمخصصة. ويمكن تكييف حجم السونوترود مع حجم مادة القطب وعرضها، لتحقيق ظروف عملية مثلى تتيح معدل معالجة مرتفعًا واستعادة فائقة.

المؤلفات / المراجع

• Lei, Chunhong; Aldous, Iain; Hartley, Jennifer; Thompson, Dana; Scott, Sean; Hanson, Rowan; Anderson, Paul; Kendrick, Emma; Sommerville, Rob; Ryder, Karl; Abbott, Andrew (2021): Lithium ion battery recycling using high-intensity ultrasonication. Green Chemistry 23(13), 2021.
• Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
• Zhang, Zheming; He, Wenzhi; Li, Guangming; Xia, Jing; Hu, Huikang; Huang, Juwen (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO2 from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. International Journal of Electrochemical Science 9, 2014. 3691-3700.