إعادة تدوير الأقطاب الكهربائية – كفاءة عالية مع التفريغ بالموجات فوق الصوتية
يسمح التفريغ بالموجات فوق الصوتية للأقطاب الكهربائية باستعادة المواد الفعالة مثل الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت وما إلى ذلك في غضون ثوان. وبالتالي ، فإن تفريغ القطب بالموجات فوق الصوتية يجعل استعادة المواد القابلة لإعادة الاستخدام من البطاريات أسرع وأخضر وأقل كثافة في استخدام الطاقة. أثبتت الأبحاث بالفعل أن التفريغ بالموجات فوق الصوتية يمكن أن يكون أسرع 100 مرة من تقنيات إعادة التدوير التقليدية.
تعمل الموجات فوق الصوتية القوية على تحسين استعادة المواد الفعالة من الأقطاب الكهربائية
يوفر التفريغ المساعد بالموجات فوق الصوتية للأقطاب الكهربائية نهجا سريعا وفعالا ومستداما لاستعادة المواد الفعالة والرقائق. هذه الأجزاء من القطب هي مواد قيمة ، والتي يمكن إعادة استخدامها لتصنيع بطاريات جديدة. التفريغ بالموجات فوق الصوتية ليس فقط أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من عمليات إعادة التدوير الهيدرولوجية والحرارية ، بل ينتج أيضا مواد ذات نقاء أعلى.
- سريع (يكتمل في غضون ثوان)
- سهل التنفيذ
- قابلة للتكيف مع أحجام الأقطاب الكهربائية
- صديقة للبيئة
- اقتصاديه
- آمن
معالج بالموجات فوق الصوتية مع سونوترود لتفريغ القطب. تفريغ القطب بالموجات فوق الصوتية يجعل استعادة المواد القابلة لإعادة الاستخدام من البطاريات أسرع ، خضراء ، وأقل كثافة في استخدام الطاقة بشكل ملحوظ.
إعادة تدوير البطارية: فصل القطب الكهربائي والتفريغ
تهدف إعادة تدوير بطارية ليثيوم أيون (LIB) إلى استعادة المواد القيمة. تحتوي الأقطاب الكهربائية على مواد ثمينة ونادرة مثل الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت وما إلى ذلك ، والتي يمكن استردادها بكفاءة باستخدام عملية التفريغ بالموجات فوق الصوتية المستمرة. يمكن للمعالجات بالموجات فوق الصوتية المجهزة بمسبار (sonotrode) إنشاء سعة شديدة. تنقل السعة الموجات فوق الصوتية إلى الوسط السائل (على سبيل المثال ، حمام المذيبات) ، حيث تنشأ فقاعات فراغ دقيقة بسبب تناوب دورات الضغط العالي / الضغط المنخفض. تنمو هذه الفقاعات المفرغة على مدى بضع دورات ، حتى تصل إلى حجم لا يمكنها فيه امتصاص أي طاقة إضافية. عند هذه النقطة ، تنفجر الفقاعات بعنف. يولد انفجار الفقاعة محليا بيئة كثيفة الطاقة للغاية مع نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280 م / ث ، واضطرابات شديدة ، ودرجات حرارة عالية جدا (حوالي 5000 كلفن) ، وضغوط (حوالي 2000 ضغط جوي) وبالتالي فروق درجة الحرارة والضغط.
تعرف ظاهرة انفجار الفقاعة المستحثة بالموجات فوق الصوتية بالتجويف الصوتي. تعمل تأثيرات التجويف الصوتي على إزالة الفيلم المركب للمادة الفعالة من مجمع تيار الرقائق ، المطلي على كلا الجانبين بالفيلم المركب. تحتوي المادة الفعالة في الغالب على خليط من أكسيد المنغنيز الليثيوم (LMO) وأكسيد الكوبالت المنغنيز والنيكل الليثيوم (LiNiMnCoO2 أو NMC) بالإضافة إلى أسود الكربون كمادة مضافة موصلة.
تعتمد آلية التفريغ بالموجات فوق الصوتية على القوى الفيزيائية القادرة على كسر الروابط الجزيئية. نظرا لشدة الموجات فوق الصوتية للطاقة ، غالبا ما تكون المذيبات الأكثر اعتدالا كافية لإزالة طبقات المادة الفعالة من الرقاقة أو المجمع الحالي. وبالتالي ، فإن التفريغ بالموجات فوق الصوتية للقطب الكهربائي أسرع وصديق للبيئة وأقل كثافة في استخدام الطاقة.
صور المسح المجهري الإلكتروني (SEM) التي توضح التغيرات المورفولوجية للمادة الفعالة للقطب عند التفريغ بالموجات فوق الصوتية. تم التقاط جميع الصور بتكبير 5000x وطاقة إثارة 10 كيلو فولت. أ) مادة الكاثود قبل التفريغ ، ب) مادة الكاثود النشطة المفككة ، ج) مادة الأنود قبل التفريغ و د) مادة الأنود المفككة.
(دراسة وصور: Lei et al. ، 2021)
تمزيق البطارية مقابل فصل القطب
لاستعادة المادة الفعالة ، يتم استخدام المذيبات المائية أو العضوية لإذابة الرقاقة المعدنية و / أو مادة رابطة البوليمر و / أو المادة الفعالة. يؤثر تصميم العملية وتدفقها على النتيجة النهائية لاستعادة المواد بشكل كبير. تتضمن عملية إعادة تدوير البطارية التقليدية تمزيق وحدات البطارية. ومع ذلك ، يصعب فصل المكونات الممزقة إلى مكونات فردية. يتطلب معالجة معقدة من أجل الحصول على مواد نشطة / قيمة من الكتلة الممزقة. من أجل إعادة استخدام المواد الفعالة المستردة ، هناك حاجة إلى درجة معينة من النقاء. ينطوي استرداد المواد عالية النقاء من البطارية السائبة الممزقة على عمليات معقدة ومذيبات قاسية وبالتالي فهو مكلف. يتم استخدام الترشيح بالموجات فوق الصوتية بنجاح لتكثيف وتعزيز نتائج استعادة المواد النشطة من بطاريات الليثيوم أيون تمزيقه.
كعملية بديلة للتقطيع التقليدي ، تم عرض فصل القطب الكهربائي كعملية فعالة لإعادة تدوير البطارية يمكن أن تحسن بشكل كبير من نقاء المواد التي تم الحصول عليها. بالنسبة لعملية فصل القطب ، يتم تفكيك البطارية إلى مكوناتها الرئيسية. نظرا لأن الأقطاب الكهربائية تحتوي على أكبر حصة من المواد القيمة ، يتم فصل القطب ومعالجته كيميائيا لإذابة المواد الفعالة (الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت ...) من الرقاقة المطلية أو المجمع الحالي. ومن المعروف جيدا الموجات فوق الصوتية لآثاره الشديدة الناجمة عن التجويف الصوتية. تطبق القوى الميكانيكية، ما يكفي من التذبذب والقص لإزالة المواد الفعالة، التي يتم وضعها على الرقاقة. (هيكل الرقاقة المطلية يشبه شطيرة ، الرقاقة في الوسط وطبقة المواد الفعالة بنيت السطح الخارجي.)
من شأن فصل الأقطاب الكهربائية أن يجعل خيارا أكثر قابلية للتطبيق من التقطيع ، عند استخدامه جنبا إلى جنب مع التفكيك المستقل ، مما يسمح بتيارات نفايات أنقى والاحتفاظ بقيمة أكبر في الإمداد
الموجات فوق الصوتية UIP2000hdT هو معالج قوي بقوة 2000 واط لتفريغ الأقطاب الكهربائية مما يجعل إعادة تدوير البطارية أسرع وأكثر كفاءة وأكثر صداقة للبيئة.
سونوتروديس بالموجات فوق الصوتية لتفريغ القطب
تتوفر بسهولة sonotrodes الخاصة التي توفر السعة المطلوبة لإزالة المواد الفعالة من رقائق القطب. مع انخفاض شدة التجويف الصوتي مع زيادة المسافة بين سونوترود والقطب ، فإن المسافة الموحدة المستمرة بين سونوترود والقطب مواتية. هذا يعني أنه يجب تحريك ورقة القطب عن كثب أسفل طرف sonotrode ، حيث تكون موجات الضغط قوية وكثافة التجويف عالية. مع sonotrodes الخاصة التي تقدم عرضا أوسع من مسبار الموجات فوق الصوتية الأسطواني القياسي, Hielscher Ultrasonics يقدم حلا فعالا لتفريغ موحد من صفائح القطب من السيارات الكهربائية. على سبيل المثال ، يبلغ عرض الأقطاب الكهربائية المستخدمة في بطاريات السيارة الكهربائية ذات الخلايا الكيسية (EV) عادة حوالي 20 سم. ينقل sonotrode من نفس العرض التجويف الصوتي بشكل موحد على سطح القطب بأكمله. وبالتالي ، في غضون ثوان يتم إطلاق طبقات المادة الفعالة في المذيب ويمكن استخراجها وتنقيتها إلى مسحوق. يمكن إعادة استخدام هذا المسحوق لإنتاج بطاريات جديدة.
أفاد فريق البحث التابع لمعهد فاراداي في المملكة المتحدة أن إزالة طبقات المواد الفعالة من قطب LIB يمكن أن تكتمل في أقل من 10 ثوان عندما يقع القطب مباشرة تحت سونوترود عالي الطاقة (1000 إلى 2000 واط ، على سبيل المثال UIP1000hdT أو UIP2000hdT). أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية ، يتم كسر الروابط اللاصقة بين المواد الفعالة والمجمعات الحالية بحيث يمكن في خطوة تنقية لاحقة استرداد جامع التيار السليم والمواد الفعالة المسحوقة.
صور توضح تأثير الموجات فوق الصوتية على الجانب الخلفي من: أ) ورقة أنود بطارية ليثيوم أيون ، و ب) ورقة كاثود بطارية ليثيوم أيون. تم فك الأنود في محلول من 0.05 M حامض الستريك. تم تفكيك الكاثود في محلول مقداره 0.1 M NaOH. كان قطر سونوترودي 20 مم ، مع كثافة طاقة 120 واط / سم 2 مطبقة لمدة 3 ثوان ، على بعد 2.5 مم من سونوترودي. كان حجم العينة 3 سم × 3 سم.
(دراسة وصور: Lei et al. ، 2021)
الموجات فوق الصوتية لتفريغ القطب
Hielscher Ultrasonics تصمم وتصنع وتوزع معالجات الموجات فوق الصوتية عالية الأداء، والتي تعمل في نطاق 20kHZ. Hielscher الفوق صوتيات’ الموجات فوق الصوتية الصناعية هي معالجات الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة التي يمكن أن توفر سعات عالية جدا للتطبيقات الصعبة. يمكن تشغيل السعات التي تصل إلى 200 ميكرومتر بسهولة بشكل مستمر في عملية 24/7. للحصول على سعات أعلى ، تتوفر سونوتروديس بالموجات فوق الصوتية المخصصة. لعملية التفريغ المستمر للأقطاب الكهربائية ، تقدم Hielscher مجموعة من sonotrodes القياسية وكذلك المخصصة. يمكن تكييف حجم sonotrode مع حجم وعرض مادة القطب ، وبالتالي استهداف ظروف العملية المثلى للحصول على إنتاجية عالية واسترداد فائق.
اتصل بنا! / اسألنا!
الأدب / 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.
تظهر الصورة رقائق نحاسية ، تمت إزالة طبقات من الجرافيت والمواد الفعالة منها في معالجة بالموجات فوق الصوتية لبضع ثوان. المكونات المستردة في محلول عالي النقاء والمجمع الحالي الذي تم الحصول عليه هو النحاس النقي.
(الصورة والدراسة: معهد فاراداي ، جامعة برمنغهام ، جامعة ليستر)
Hielscher Ultrasonics بتصنيع المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لخلط التطبيقات، والتشتت، والاستحلاب والاستخراج على المختبر، التجريبية والصناعية النطاق.
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع الخالط بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من المختبر ل الحجم الصناعي.