Elektrodların təkrar emalı – Ultrasonik Delaminasiya ilə Yüksək Səmərəli

Elektrodların ultrasəs delaminasiyası bir neçə saniyə ərzində litium, nikel, manqan, kobalt və s. kimi aktiv materialları bərpa etməyə imkan verir. Beləliklə, ultrasəs elektrodunun ayrılması batareyalardan təkrar istifadə edilə bilən materialların bərpasını daha sürətli, yaşıl və əhəmiyyətli dərəcədə daha az enerji tutumlu edir. Tədqiqatlar artıq sübut etmişdir ki, ultrasəs delaminasiyası adi təkrar emal üsullarından 100 dəfə daha sürətli ola bilər.

Güclü ultrasəs elektrodlardan aktiv materialların bərpasını yaxşılaşdırır

Elektrodların ultrasəs köməyi ilə delaminasiyası aktiv materialların və folqanın bərpası üçün sürətli, səmərəli və davamlı yanaşma təklif edir. Elektrodun bu hissələri qiymətli materiallardır və yeni batareyaların istehsalı üçün təkrar istifadə edilə bilər. Ultrasonik delaminasiya yalnız hidrometallurgiya və pirometallurgiya təkrar emal proseslərindən əhəmiyyətli dərəcədə daha çox enerjiyə qənaət etmir, həm də daha yüksək təmizlik materiallarında məhsul verir.

Batareyanın təkrar emalı: Elektrodların ayrılması və delaminasiyası

Litium-ion batareyanın (LIB) təkrar emalı qiymətli materialları bərpa etmək məqsədi daşıyır. Elektrodlar litium, nikel, manqan, kobalt və s. kimi qiymətli və nadir materiallardan ibarətdir ki, onları davamlı ultrasəs delaminasiya prosesi ilə səmərəli şəkildə bərpa etmək olar. Zond (sonotrode) ilə təchiz edilmiş ultrasəs prosessorları intensiv amplitüdlər yarada bilər. Amplituda ultrasəs dalğalarını maye mühitə (məsələn, həlledici vanna) ötürür, burada alternativ yüksək təzyiq / aşağı təzyiq dövrləri səbəbindən dəqiqəlik vakuum qabarcıqları yaranır. Bu vakuum qabarcıqları daha çox enerji ala bilməyəcək ölçüyə çatana qədər bir neçə dövr ərzində böyüyür. Bu zaman baloncuklar şiddətlə partlayır. Baloncuk partlaması yerli olaraq 280 m/s sürətə qədər maye reaktivləri, intensiv turbulentliklər, çox yüksək temperaturlar (təxminən 5000K), təzyiqlər (təxminən 2000atm) və müvafiq olaraq temperatur və təzyiq fərqləri ilə yüksək enerji sıxlığı olan mühit yaradır.
Ultrasonik səbəb olan bubble partlama fenomeni məlum akustik kavitasiyadır. Akustik kavitasiyanın təsirləri, hər iki tərəfdən kompozit filmlə örtülmüş folqa cərəyan kollektorundan aktiv materialın kompozit filmini çıxarır. aktiv materialda əsasən litium manqan oksidi (LMO) və litium nikel manqan kobalt oksidin (LiNiMnCoO2 və ya NMC) qarışığı, həmçinin keçirici əlavə kimi karbon qara var.
Ultrasonik delaminasiya mexanizmi molekulyar bağları poza bilən fiziki qüvvələrə əsaslanır. Güc-ultrasəsin intensivliyinə görə tez-tez daha yumşaq həlledicilər folqa və ya cari kollektordan aktiv materialın təbəqələrini çıxarmaq üçün kifayətdir. Beləliklə, elektrodun ultrasəs delaminasiyası daha sürətli, ekoloji cəhətdən təmiz və əhəmiyyətli dərəcədə daha az enerji tələb edir.

Ultrasonik delaminasiya zamanı elektrod aktiv materialında morfoloji dəyişiklikləri göstərən skan edən elektron mikroskopiya (SEM) şəkilləri. Bütün şəkillər 5000x böyütmə və 10 kV həyəcan enerjisi ilə çəkilmişdir. a) katod materialının əvvəlcədən delaminasiyası, b) təbəqələnmiş katod aktiv materialı, c) anod materialının əvvəlcədən delaminasiyası və d) təbəqələnmiş anod materialı.
(tədqiqat və şəkillər: Lei et al., 2021)

Batareyanın parçalanması və elektrodların ayrılması

Aktiv materialın bərpası üçün metal folqa, polimer bağlayıcı və/və ya aktiv materialı həll etmək üçün sulu və ya üzvi həlledicilərdən istifadə olunur. Prosesin dizaynı və axını materialın bərpasının son nəticəsinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Ənənəvi batareyanın təkrar emalı prosesi batareya modullarının parçalanmasını nəzərdə tutur. Bununla belə, parçalanmış komponentləri fərdi komponentlərə ayırmaq çətindir. Xırdalanmış kütlədən aktiv/qiymətli material əldə etmək üçün kompleks emal tələb edir. Bərpa edilmiş aktiv materialların təkrar istifadəsi üçün müəyyən dərəcədə təmizlik tələb olunur. Xırdalanmış batareya kütləsindən yüksək təmiz materialların alınması mürəkkəb prosesləri, sərt həllediciləri əhatə edir və buna görə də bahalıdır. Ultrasonik yuyulma, parçalanmış litium-ion batareyalardan aktiv materialın bərpasının nəticələrini gücləndirmək və artırmaq üçün uğurla istifadə olunur.
Ənənəvi parçalamaya alternativ bir proses olaraq, elektrodun ayrılması, əldə edilən materialların təmizliyini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilən effektiv batareyanın təkrar emalı prosesi kimi göstərilmişdir. Elektrodun ayrılması prosesi üçün batareya onun əsas komponentlərinə sökülür. Elektrodlar qiymətli materialın böyük hissəsini ehtiva etdiyinə görə, elektrod ayrılır və aktiv materialları (litium, nikel, manqan, kobalt ...) örtülmüş folqa və ya cərəyan kollektorundan həll etmək üçün kimyəvi üsulla müalicə olunur. Ultrasonikasiya akustik kavitasiyanın yaratdığı sıx təsirləri ilə məşhurdur. Sonomexaniki qüvvələr folqa üzərinə qatlanan aktiv materialları çıxarmaq üçün kifayət qədər salınım və kəsmə tətbiq edir. (Örtülmüş folqa quruluşu sendviçə bənzəyir, mərkəzdəki folqa və xarici səthi quran aktiv material təbəqəsi.)
elektrodların ayrılması, avtonom sökülmə ilə birlikdə istifadə edildikdə, daha təmiz tullantı axınlarına və tədarükdə daha çox dəyər saxlamağa imkan verən xırdalamaqdan daha məqsədəuyğun seçim olardı.

Elektrod delaminasiyası üçün ultrasəs sonotrotları

Aktiv materialları elektrod folqasından çıxarmaq üçün tələb olunan amplitüdü çatdıran xüsusi sonotrodlar asanlıqla mövcuddur. Akustik kavitasiya intensivliyi sonotrod və elektrod arasında artan məsafə ilə azaldıqca, sonotrod və elektrod arasında davamlı vahid məsafə əlverişlidir. Bu o deməkdir ki, elektrod təbəqəsi təzyiq dalğalarının güclü olduğu və kavitasiya sıxlığının yüksək olduğu sonotrode ucunun altına sıx şəkildə köçürülməlidir. Standart silindrik ultrasəs probundan daha geniş bir eni təklif edən xüsusi sonotrodlarla Hielscher Ultrasonics, elektrod təbəqələrinin elektrik vasitələrindən vahid delaminasiyası üçün səmərəli həll təklif edir. Məsələn, çanta hüceyrəli elektrik avtomobili (EV) akkumulyatorlarında istifadə olunan elektrodların eni adətən təqribəndir. 20 sm. Eyni genişlikdə bir sonotrode akustik kavitasiyanı bütün elektrod səthində bərabər şəkildə ötürür. Beləliklə, bir neçə saniyə ərzində aktiv materialın təbəqələri həllediciyə buraxılır və ekstraksiya edilib toz halına salına bilər. Bu toz yeni batareyaların istehsalı üçün təkrar istifadə edilə bilər.
Böyük Britaniyanın Faraday İnstitutunun tədqiqat qrupu bildirir ki, elektrod birbaşa yüksək güclü sonotrodun (1000-2000 Vt, məs. UIP1000hdT və ya UIP2000hdT). Ultrasəs müalicəsi zamanı aktiv materiallar və cərəyan kollektorları arasında yapışan bağlar qırılır ki, sonrakı təmizləmə mərhələsində bütöv bir cərəyan kollektoru və toz halında aktiv material bərpa olunsun.

Arxa tərəfdə ultrasəsin təsirini göstərən şəkillər: a) litium-ion batareyanın anod təbəqəsi və b) litium-ion batareyanın katod təbəqəsi. Anod 0,05 M limon turşusunun məhlulunda parçalanmışdır; katod 0,1 M NaOH məhlulunda parçalanmışdır. Sonotrotun diametri 20 mm idi, 120 Vt/sm2 güc intensivliyi 3 saniyə ərzində sonotroddan 2,5 mm məsafədə tətbiq olundu. Nümunə ölçüsü 3 sm x 3 sm idi.
(tədqiqat və şəkillər: Lei et al., 2021)

Elektrod delaminasiyası üçün ultrasəs cihazları

Hielscher Ultrasonics 20kHz diapazonunda işləyən yüksək performanslı ultrasəs prosessorlarını dizayn edir, istehsal edir və paylayır. Hielscher ultrasəs’ sənaye ultrasəs cihazları tələbkar tətbiqlər üçün çox yüksək amplitüdlər verə bilən yüksək güclü ultrasəs prosessorlarıdır. 200µm-ə qədər olan amplitüdlər 24/7 əməliyyatda asanlıqla davamlı olaraq işlədilə bilər. Daha yüksək amplitüdlər üçün xüsusi ultrasəs sonotrodları mövcuddur. Elektrodların davamlı delaminasiya prosesi üçün Hielscher bir sıra standart, eləcə də xüsusi sonotrodlar təklif edir. Sonotrode ölçüsü elektrod materialının ölçüsünə və eninə uyğunlaşdırıla bilər, bununla da yüksək ötürmə qabiliyyəti və üstün bərpa üçün optimal proses şərtlərini hədəfləyir.

Ədəbiyyat / İstinadlar