Рециклиране на електроди – Високоефективен с ултразвуково разслояване

Ултразвуковото разслояване на електродите позволява възстановяването на активни материали като литий, никел, манган, кобалт и др. в рамките на секунди. По този начин ултразвуковото разслояване на електрода прави възстановяването на материали за многократна употреба от батериите по-бързо, зелено и значително по-малко енергоемко. Изследванията вече са доказали, че ултразвуковото разслояване може да бъде 100 пъти по-бързо от конвенционалните техники за рециклиране.

Мощният ултразвук подобрява възстановяването на активните материали от електродите

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

Рециклиране на батерията: отделяне и разслояване на електроди

Рециклирането на литиево-йонни батерии (LIB) има за цел да възстанови ценни материали. Електродите съдържат ценни и редки материали като литий, никел, манган, кобалт и др., Които могат да бъдат ефективно възстановени с помощта на непрекъснат процес на ултразвуково разслояване. Ултразвуковите процесори, оборудвани със сонда (сонотрод), могат да създават интензивни амплитуди. Амплитудата предава ултразвукови вълни в течната среда (напр. вана с разтворител), където поради редуващи се цикли на високо / ниско налягане възникват малки вакуумни мехурчета. Тези вакуумни мехурчета растат в продължение на няколко цикъла, докато достигнат размер, при който не могат да абсорбират повече енергия. В този момент мехурчетата се взривяват силно. Имплозията на мехурчетата генерира локално среда с висока енергийна плътност с течни струи със скорост до 280 m/s, интензивни турбуленции, много високи температури (приблизително 5000K), налягания (приблизително 2000 atm) и съответно разлики в температурата и налягането.
Този феномен на ултразвуково индуцирана имплозия на мехурчета е известен акустична кавитация. Ефектите от акустичната кавитация премахват композитния филм от активен материал от токоуловителя на фолиото, който е покрит от двете страни с композитния филм. активният материал съдържа предимно смес от литиево-манганов оксид (LMO) и литиево-никел-манганов кобалтов оксид (LiNiMnCoO2 или NMC) на прах, както и сажди като проводима добавка.
Механизмът на ултразвуковото разслояване се основава на физически сили, които са способни да разрушат молекулярните връзки. Поради интензивността на мощността-ултразвук, често по-меките разтворители са достатъчни за отстраняване на слоевете активен материал от фолиото или токолектора. По този начин ултразвуковото разслояване на електрода е по-бързо, екологично и значително по-малко енергоемко.

Сканиращи изображения с електронна микроскопия (SEM), показващи морфологичните промени в активния материал на електрода при ултразвуково разслояване. Всички изображения са направени при 5000x увеличение и 10 kV енергия на възбуждане. а) катоден материал преди разслояване, б) разслоен катоден активен материал, в) аноден материал преди разслояване и г) разслоен аноден материал.
(проучване и снимки: Lei et al., 2021)

Раздробяване на батерията срещу разделяне на електроди

За оползотворяването на активния материал се използват водни или органични разтворители за разтваряне на металното фолио, полимерното свързващо вещество и/или активния материал. Дизайнът и потокът на процеса влияят значително върху крайния резултат от оползотворяването на материала. Традиционният процес на рециклиране на батериите включва раздробяване на батерийните модули. Настърганите компоненти обаче са трудни за разделяне на отделни компоненти. Изисква сложна обработка, за да се получи активен/ценен материал от настърганата маса. За да се използват повторно възстановените активни материали, е необходима известна степен на чистота. Извличането на изключително чисти материали от настъргана батерия включва сложни процеси, агресивни разтворители и следователно е скъпо. Ултразвуковото извличане се използва успешно за засилване и подобряване на резултатите от активното възстановяване на материал от настъргани литиево-йонни батерии.
Като алтернативен процес на традиционното раздробяване, разделянето на електроди е доказано като ефикасен процес на рециклиране на батерии, който може значително да подобри чистотата на получените материали. За процеса на разделяне на електрода батерията се разглобява на основните си компоненти. Тъй като електродите съдържат най-голям дял ценен материал, електродът се отделя и обработва химически, за да се разтворят активните материали (литий, никел, манган, кобалт ...) от покритото фолио или токов колектор. Ултразвукът е добре известен със своите интензивни ефекти, причинени от акустична кавитация. Сономеханичните сили прилагат достатъчно трептене и срязване, за да отстранят активните материали, които се наслояват върху фолиото. (Структурата на фолиото с покритие е подобна на сандвич, фолиото в центъра и слоят активен материал изграждат външната повърхност.)
Разделянето на електродите би било по-жиоспособна опция от раздробяването, когато се използва заедно с автономно разглобяване, което позволява по-чисти потоци от отпадъци и по-голямо запазване на стойността в доставките

Ултразвукови сонотроди за разслояване на електроди

Лесно достъпни са специални сонотроди, осигуряващи необходимата амплитуда за отстраняване на активните материали от електродното фолио. Тъй като интензитетът на акустичната кавитация намалява с увеличаване на разстоянието между сонотрода и електрода, благоприятно е непрекъснато равномерно разстояние между сонотрода и електрода. Това означава, че електродният лист трябва да се премести близо под върха на сонотрода, където вълните под налягане са силни и плътността на кавитацията е висока. Със специални сонотроди, предлагащи по-широка ширина от стандартната цилиндрична ултразвукова сонда, Hielscher Ultrasonics предлага ефективно решение за равномерно разслояване на електродни листове от електрически превозни средства. Например, електродите, използвани в батериите за електрически превозни средства (EV), обикновено имат ширина около 20 см. Сонотрод със същата ширина предава акустична кавитация равномерно по цялата повърхност на електрода. По този начин в рамките на секунди слоевете активен материал се освобождават в разтворителя и могат да бъдат извлечени и пречистени на прах. Този прах може да се използва повторно за производството на нови батерии.
Изследователският екип на британския институт Фарадей съобщава, че отстраняването на слоевете на активния материал от електрода LIB може да бъде завършено за по-малко от 10 секунди, когато електродът е разположен директно под сонотрод с висока мощност (1000 до 2000 W, напр. UIP1000hdT или UIP2000hdT). По време на ултразвуковата обработка адхезивните връзки между активните материали и токовите колектори се нарушават, така че при последващ етап на пречистване може да се възстанови непокътнат токов колектор и прахообразен активен материал.

Изображения, показващи ефекта на ултразвука от задната страна на: а) аноден лист на литиево-йонна батерия и б) катоден лист на литиево-йонна батерия. Анодът се разслоява в разтвор на 0,05 M лимонена киселина; катодът се разслоява в разтвор от 0,1 M NaOH. Сонотродът е с диаметър 20 mm, с 120 W/cm2 интензитет на мощността, приложен за 3 секунди, на 2,5 mm разстояние от сонотрода. Размерът на извадката е 3 см х 3 см.
(проучване и снимки: Lei et al., 2021)

Ултразвукови апарати за разслояване на електроди

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява високопроизводителни ултразвукови процесори, които работят в диапазона 20kHz. Ултразвук на Hielscher’ Индустриалните ултразвукови процесори са ултразвукови процесори с висока мощност, които могат да осигурят много високи амплитуди за взискателни приложения. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди. За непрекъснатия процес на разслояване на електродите, Hielscher предлага набор от стандартни, както и персонализирани сонотроди. Размерът на сонотрода може да се адаптира към размера и ширината на материала на електрода, като по този начин се насочва към оптимални условия на процеса за висока производителност и превъзходно възстановяване.

Литература / Препратки