Elektrodların təkrar emalı – ultrasəs delaminasiyası ilə yüksək səmərəlilik

Elektrodların ultrasəs delaminasiyası litium, nikel, manqan, kobalt və s. kimi aktiv materialları saniyələr ərzində bərpa etməyə imkan verir. Beləliklə, elektrodların ultrasəs delaminasiyası batareyalardan təkrar istifadə oluna bilən materialların bərpasını daha sürətli, ekoloji və xeyli az enerji tələb edən edir. Tədqiqatlar artıq sübut edib ki, ultrasəs delaminasiyası ənənəvi təkrar emal üsullarından 100 dəfə daha sürətli ola bilər.

Yüksək güclü ultrasəs elektrodlardan aktiv materialların bərpasını yaxşılaşdırır

Ultrasəsin köməyi ilə elektrodların delaminasiyası aktiv materialların və folqanın bərpası üçün sürətli, səmərəli və dayanıqlı yanaşma təklif edir. Elektrodun bu hissələri yeni batareyaların istehsalında təkrar istifadə oluna bilən qiymətli materiallardır. Ultrasəs delaminasiyası hidrometallurgiya və pirometallurgiya təkrar emal proseslərindən xeyli daha yüksək enerji səmərəliliyinə malik olmaqla yanaşı, daha yüksək təmizlikli materiallar da əldə etməyə imkan verir.

Batareyaların təkrar emalı: elektrodların ayrılması və delaminasiyası

Litium-ion batareyaların (LIB) təkrar emalının məqsədi qiymətli materialları bərpa etməkdir. Elektrodlar litium, nikel, manqan, kobalt və s. kimi qiymətli və nadir materiallar ehtiva edir; bu materiallar fasiləsiz ultrasəs delaminasiyası prosesi ilə səmərəli şəkildə bərpa oluna bilər. Zondla (sonotrodla) təchiz edilmiş ultrasəs prosessorları yüksək amplitudalar yarada bilir. Amplituda ultrasəs dalğalarını maye mühitə (məsələn, həlledici vannasına) ötürür; burada növbələşən yüksək təzyiq / aşağı təzyiq dövrləri nəticəsində çox kiçik vakuum qabarcıqları yaranır. Bu vakuum qabarcıqları bir neçə dövr ərzində böyüyür və daha artıq enerji uda bilmədikləri ölçüyə çatır. Bu anda qabarcıqlar şiddətlə içəriyə doğru çökür. Qabarcıqların çökməsi yerli olaraq 280m/s-dək sürətli maye şırnaqları, güclü turbulentlik, çox yüksək temperaturlar (təqribən 5.000K), təzyiqlər (təqribən 2.000atm) və müvafiq olaraq temperatur və təzyiq fərqləri ilə xarakterizə olunan, çox yüksək enerji sıxlığına malik mühit yaradır.
Ultrasəsin təsiri ilə qabarcıqların içəriyə doğru çökməsi hadisəsi akustik kavitasiya adlanır. Akustik kavitasiyanın təsirləri aktiv materialın kompozit təbəqəsini hər iki tərəfi bu təbəqə ilə örtülmüş folqa cərəyan kollektorundan ayırır. Aktiv material əsasən litium-manqan oksidi (LMO) və litium-nikel-manqan-kobalt oksidi (LiNiMnCoO2 və ya NMC) tozlarının qarışığını, həmçinin keçirici əlavə kimi karbon qarasını ehtiva edir.
Ultrasəs delaminasiyasının mexanizmi molekulyar rabitələri qıra bilən fiziki qüvvələrə əsaslanır. Yüksək güclü ultrasəsin intensivliyi sayəsində aktiv material təbəqələrini folqadan və ya cərəyan kollektorundan ayırmaq üçün çox vaxt daha yumşaq təsirli həlledicilər kifayət edir. Beləliklə, elektrodun ultrasəs delaminasiyası daha sürətli, ətraf mühitə uyğun və xeyli az enerji tələb edən olur.

Ultrasəs delaminasiyası zamanı elektrodun aktiv materialında baş verən morfoloji dəyişiklikləri göstərən skanedici elektron mikroskopiya (SEM) görüntüləri. Bütün görüntülər 5000x böyütmə və 10 kV həyəcanlandırma enerjisi ilə əldə edilib. a) delaminasiyadan əvvəl katod materialı, b) delaminasiya edilmiş katodun aktiv materialı, c) delaminasiyadan əvvəl anod materialı və d) delaminasiya edilmiş anod materialı.
(tədqiqat və şəkillər: Lei və b., 2021)

Batareyaların xırdalanması ilə elektrodların ayrılmasının müqayisəsi

Aktiv materialı bərpa etmək üçün metal folqanı, polimer bağlayıcını və/və ya aktiv materialı həll etmək məqsədilə sulu və ya üzvi həlledicilərdən istifadə olunur. Prosesin quruluşu və gedişi materialın bərpasının yekun nəticəsinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Ənənəvi batareya təkrar emalı prosesinə batareya modullarının xırdalanması daxildir. Lakin xırdalanmış komponentləri ayrı-ayrı komponentlərə ayırmaq çətindir. Xırdalanmış kütlədən aktiv/qiymətli material əldə etmək üçün mürəkkəb emal tələb olunur. Bərpa edilmiş aktiv materialların təkrar istifadəsi üçün müəyyən təmizlik dərəcəsi tələb olunur. Xırdalanmış batareya kütləsindən yüksək təmizlikli materialların əldə edilməsi mürəkkəb proseslər və sərt təsirli həlledicilər tələb etdiyindən bahalıdır. Ultrasəslə yuyub çıxarma xırdalanmış litium-ion batareyalardan aktiv materialların bərpasını intensivləşdirmək və nəticələrini yaxşılaşdırmaq üçün uğurla istifadə olunur.
Ənənəvi xırdalanmaya alternativ olaraq elektrodların ayrılmasının əldə olunan materialların təmizliyini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilən səmərəli batareya təkrar emalı prosesi olduğu göstərilib. Elektrodların ayrılması prosesində batareya əsas komponentlərinə sökülür. Qiymətli materialın ən böyük payı elektrodlarda olduğundan elektrod ayrılır və aktiv materialları (litium, nikel, manqan, kobalt …) örtüklü folqadan və ya cərəyan kollektorundan həll edərək ayırmaq üçün kimyəvi emala məruz qalır. Ultrasəslə emal akustik kavitasiyanın yaratdığı güclü təsirlərlə yaxşı tanınır. Son mexaniki qüvvələr folqa üzərində təbəqələr şəklində yerləşən aktiv materialları ayırmaq üçün kifayət qədər rəqs və kəsilmə təsiri yaradır. (Örtüklü folqanın quruluşu sendviçə bənzəyir: folqa mərkəzdə yerləşir, aktiv material təbəqəsi isə xarici səthi təşkil edir.)
Avtonom sökülmə ilə birlikdə istifadə edildikdə, elektrodların ayrılması daha təmiz tullantı axınlarına və təchizatda dəyərin daha çox qorunmasına imkan verərək xırdalanmadan daha məqsədəuyğun seçim olardı

Elektrodların delaminasiyası üçün ultrasəs sonotrodları

Aktiv materialları elektrod folqasından ayırmaq üçün tələb olunan amplitudanı təmin edən xüsusi sonotrodlar asanlıqla əldə edilə bilər. Sonotrodla elektrod arasındakı məsafə artdıqca akustik kavitasiyanın intensivliyi azaldığından, sonotrodla elektrod arasında daim bərabər məsafənin saxlanması əlverişlidir. Bu o deməkdir ki, elektrod vərəqi təzyiq dalğalarının güclü və kavitasiya sıxlığının yüksək olduğu sonotrod ucunun altından, ona yaxın məsafədə hərəkət etdirilməlidir. Standart silindrik ultrasəs zondundan daha enli xüsusi sonotrodlarla Hielscher Ultrasonics elektrik nəqliyyat vasitələrinin elektrod vərəqlərinin bərabər şəkildə delaminasiyası üçün səmərəli həll təklif edir. Məsələn, elektrik nəqliyyat vasitələrinin (EV) paket tipli elementlərdən ibarət batareyalarında istifadə olunan elektrodların eni adətən təqribən 20 cm olur. Eyni enə malik sonotrod akustik kavitasiyanı elektrodun bütün səthinə bərabər şəkildə ötürür. Beləliklə, aktiv material təbəqələri saniyələr ərzində həllediciyə ayrılır və sonra çıxarılaraq təmizlənib toz halına gətirilə bilər. Bu toz yeni batareyaların istehsalında təkrar istifadə oluna bilər.
Birləşmiş Krallığın Faraday Institution tədqiqat qrupu bildirir ki, elektrod birbaşa yüksək güclü sonotrodun altında yerləşdikdə LIB elektrodundan aktiv material təbəqələrinin ayrılması 10 s-dən az müddətdə tamamlana bilər (1000-dən 2000 W-dək, məsələn, UIP1000hdT və ya UIP2000hdT). Ultrasəslə emal zamanı aktiv materiallarla cərəyan kollektorları arasındakı adheziya rabitələri qırılır və beləliklə, sonrakı təmizləmə mərhələsində bütöv cərəyan kollektoru və toz halında aktiv material bərpa oluna bilər.

Ultrasəsin a) litium-ion batareyanın anod vərəqinin və b) litium-ion batareyanın katod vərəqinin arxa səthinə təsirini göstərən görüntülər. Anod 0,05 M limon turşusu məhlulunda, katod isə 0,1 M NaOH məhlulunda delaminasiya edilib. Sonotrodun diametri 20 mm olub; sonotrodan 2,5 mm məsafədə 3 saniyə ərzində 120 W/cm2 güc intensivliyi tətbiq edilib. Nümunənin ölçüsü 3 cm x 3 cm olub.
(tədqiqat və şəkillər: Lei və b., 2021)

Elektrodların delaminasiyası üçün ultrasəs cihazları

Hielscher Ultrasonics 20kHz diapazonunda işləyən yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs prosessorlarını layihələndirir, istehsal edir və satışını həyata keçirir. Hielscher Ultrasonics şirkətinin sənaye ultrasəs cihazları çətin tətbiqlər üçün çox yüksək amplitudalar təmin edə bilən yüksək güclü ultrasəs prosessorlarıdır. 200µm-dək amplitudalarla 24/7 rejimində fasiləsiz işləmək asanlıqla mümkündür. Daha da yüksək amplitudalar üçün xüsusi tələblərə uyğun hazırlanmış ultrasəs sonotrodları mövcuddur. Elektrodların fasiləsiz delaminasiya prosesi üçün Hielscher həm standart, həm də xüsusi tələblərə uyğun hazırlanmış sonotrodlar çeşidi təklif edir. Sonotrodun ölçüsü elektrod materialının ölçüsünə və eninə uyğunlaşdırıla bilər; bununla da yüksək emal məhsuldarlığı və üstün bərpa nəticələri üçün optimal proses şəraiti hədəflənir.

Ədəbiyyat / İstinadlar

• 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.