Рециклиране на електроди – висока ефективност с ултразвуково деламиниране

Ултразвуковото деламиниране на електроди позволява извличането на активни материали като литий, никел, манган, кобалт и др. в рамките на секунди. По този начин ултразвуковото деламиниране на електроди прави извличането на материали за повторна употреба от батерии по-бързо, екологично и със значително по-нисък разход на енергия. Изследванията вече са доказали, че ултразвуковото деламиниране може да бъде 100 пъти по-бързо от конвенционалните техники за рециклиране.

Мощният ултразвук подобрява извличането на активни материали от електроди

Деламинирането на електроди с помощта на ултразвук предлага бърз, ефективен и устойчив подход за извличане на активните материали и фолиото. Тези части на електрода са ценни материали, които могат да се използват повторно за производството на нови батерии. Ултразвуковото деламиниране е не само значително по-енергийно ефективно от хидрометалургичните и пирометалургичните процеси за рециклиране, но също така дава материали с по-висока чистота.

Рециклиране на батерии: отделяне и деламиниране на електроди

Рециклирането на литиево-йонни батерии (LIB) има за цел извличането на ценни материали. Електродите съдържат ценни и редки материали като литий, никел, манган, кобалт и др., които могат да бъдат ефективно извлечени чрез непрекъснат процес на ултразвуково деламиниране. Ултразвуковите процесори, оборудвани със сонда (сонотрод), могат да генерират големи амплитуди. Амплитудата предава ултразвукови вълни в течната среда (напр. вана с разтворител), където вследствие на редуващи се цикли на високо / ниско налягане възникват миниатюрни вакуумни мехурчета. Тези вакуумни мехурчета нарастват в продължение на няколко цикъла, докато достигнат размер, при който вече не могат да поглъщат допълнителна енергия. В този момент мехурчетата имплодират бурно. Имплозията на мехурчетата създава локално среда с много висока енергийна плътност, с течни струи със скорост до 280m/s, интензивна турбулентност, много високи температури (прибл. 5 000K), налягания (прибл. 2 000atm) и съответно разлики в температурата и налягането.
Това явление на предизвикана от ултразвук имплозия на мехурчета е известно като акустична кавитация. Ефектите на акустичната кавитация отстраняват композитния слой от активен материал от токовия колектор от фолио, който е покрит от двете страни с този композитен слой. Активният материал съдържа предимно смес от прахообразни литиево-манганов оксид (LMO) и литиево-никел-манган-кобалтов оксид (LiNiMnCoO2 или NMC), както и сажди като проводяща добавка.
Механизмът на ултразвуковото деламиниране се основава на физични сили, които са способни да разрушават молекулни връзки. Поради интензивността на мощния ултразвук често са достатъчни по-меки разтворители за отстраняване на слоевете активен материал от фолиото или токовия колектор. По този начин ултразвуковото деламиниране на електроди е по-бързо, екологично и със значително по-нисък разход на енергия.

Изображения от сканираща електронна микроскопия (SEM), показващи морфологичните промени в активния материал на електрода при ултразвуково деламиниране. Всички изображения са получени при увеличение 5000x и енергия на възбуждане 10 kV. a) катоден материал преди деламиниране, b) деламиниран активен катоден материал, c) аноден материал преди деламиниране и d) деламиниран аноден материал.
(изследване и снимки: Lei et al., 2021)

Раздробяване на батерии спрямо отделяне на електроди

За извличане на активния материал се използват водни или органични разтворители за разтваряне на металното фолио, полимерното свързващо вещество и/или активния материал. Проектирането и протичането на процеса оказват значително влияние върху крайния резултат от извличането на материалите. Традиционният процес за рециклиране на батерии включва раздробяване на батерийните модули. Раздробените компоненти обаче трудно се разделят на отделни съставни части. Необходима е сложна обработка, за да се получи активен/ценен материал от раздробената маса. За повторната употреба на извлечените активни материали е необходима определена степен на чистота. Извличането на материали с висока чистота от раздробената батерийна маса включва сложни процеси и агресивни разтворители и поради това е скъпо. Ултразвуковото излужване се използва успешно за интензифициране и подобряване на резултатите от извличането на активни материали от раздробени литиево-йонни батерии.
Като алтернативен процес на традиционното раздробяване, отделянето на електродите се е доказало като ефикасен процес за рециклиране на батерии, който може значително да подобри чистотата на получените материали. При процеса на отделяне на електродите батерията се разглобява на основните си компоненти. Тъй като електродите съдържат най-големия дял от ценния материал, електродът се отделя и се обработва химически, за да се разтворят активните материали (литий, никел, манган, кобалт …) от покритото фолио или токовия колектор. Ултразвуковата обработка е добре известна със своите интензивни ефекти, предизвикани от акустичната кавитация. Сономеханичните сили създават достатъчни колебания и срязване, за да отстранят активните материали, нанесени на слоеве върху фолиото. (Структурата на покритото фолио е подобна на сандвич, с фолиото в средата и слоя активен материал, образуващ външната повърхност.)
Отделянето на електродите би било по-жизнеспособна възможност от раздробяването, когато се използва съвместно с автономно разглобяване, като позволява получаването на по-чисти потоци отпадъци и запазването на по-голяма стойност в снабдяването

Ултразвукови сонотроди за деламиниране на електроди

Специални сонотроди, осигуряващи необходимата амплитуда за отстраняване на активните материали от електродното фолио, са лесно достъпни. Тъй като интензивността на акустичната кавитация намалява с увеличаването на разстоянието между сонотрода и електрода, благоприятно е постоянното поддържане на еднакво разстояние между тях. Това означава, че електродният лист трябва да се придвижва непосредствено под върха на сонотрода, където вълните на налягането са силни, а плътността на кавитацията е висока. Със специални сонотроди, които са по-широки от стандартната цилиндрична ултразвукова сонда, Hielscher Ultrasonics предлага ефективно решение за равномерно деламиниране на електродни листове от електрически превозни средства. Например електродите, използвани в батериите с пакетни клетки на електрически превозни средства (EV), обикновено имат ширина прибл. 20 cm. Сонотрод със същата ширина предава акустичната кавитация равномерно по цялата повърхност на електрода. По този начин в рамките на секунди слоевете активен материал се отделят в разтворителя и могат да бъдат извлечени и пречистени до прах. Този прах може да се използва повторно за производството на нови батерии.
Изследователският екип на британския Faraday Institution съобщава, че отстраняването на слоевете активен материал от електрод на LIB може да бъде завършено за по-малко от 10 s, когато електродът е разположен непосредствено под сонотрод с висока мощност (1000 до 2000 W, напр. UIP1000hdT или UIP2000hdT). По време на ултразвуковата обработка адхезионните връзки между активните материали и токовите колектори се разрушават, така че при последваща стъпка на пречистване могат да бъдат извлечени неповреден токов колектор и прахообразен активен материал.

Изображения, показващи ефекта на ултразвука върху задната страна на: a) аноден лист на литиево-йонна батерия и b) катоден лист на литиево-йонна батерия. Анодът е деламиниран в разтвор на 0,05 M лимонена киселина; катодът е деламиниран в разтвор на 0,1 M NaOH. Сонотродът е с диаметър 20 mm, с приложен интензитет на мощността 120 W/cm2 за 3 секунди, на разстояние 2,5 mm от сонотрода. Размерът на пробата е 3 cm x 3 cm.
(изследване и снимки: Lei et al., 2021)

Ултразвукови апарати за деламиниране на електроди

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява високопроизводителни ултразвукови процесори, които работят в диапазона 20kHz. Промишлените ултразвукови апарати на Hielscher Ultrasonics са ултразвукови процесори с висока мощност, които могат да осигуряват много големи амплитуди за взискателни приложения. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при режим на работа 24/7. За още по-големи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка. За непрекъснатия процес на деламиниране на електроди Hielscher предлага гама от стандартни сонотроди, както и сонотроди, изработени по поръчка. Размерът на сонотрода може да се адаптира към размера и ширината на електродния материал, като по този начин се цели постигането на оптимални условия на процеса за висок капацитет на обработка и превъзходно извличане.

Литература / Източници

• 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.