Recikliranje elektroda – Visoko efikasan uz ultrazvučno razdvajanje

Ultrazvučno razdvajanje elektroda omogućava povrat aktivnih materijala kao što su litijum, nikl, mangan, kobalt itd. u roku od nekoliko sekundi. Na taj način, ultrazvučno razdvajanje elektroda čini oporavak materijala za višekratnu upotrebu iz baterija bržim, zelenim i znatno manje energetski intenzivnim. Istraživanja su već dokazala da ultrazvučna delaminacija može biti 100 puta brža od konvencionalnih tehnika recikliranja.

Power Ultrasound poboljšava oporavak aktivnih materijala iz elektroda

Ultrazvučno raslojavanje elektroda nudi brz, efikasan i održiv pristup obnavljanju aktivnih materijala i folije. Ovi dijelovi elektrode su vrijedni materijali koji se mogu ponovo koristiti za proizvodnju novih baterija. Ultrazvučno raslojavanje ne samo da je značajno energetski efikasnije od hidrometalurških i pirometalurških procesa recikliranja, već daje i materijale veće čistoće.

Recikliranje baterija: odvajanje i odvajanje elektroda

Recikliranje litijum jonskih baterija (LIB) ima za cilj da povrati vredne materijale. Elektrode sadrže dragocjene i rijetke materijale kao što su litijum, nikl, mangan, kobalt itd., koji se mogu efikasno oporaviti pomoću kontinuiranog ultrazvučnog procesa delaminacije. Ultrazvučni procesori opremljeni sondom (sonotrodom) mogu stvoriti intenzivne amplitude. Amplituda prenosi ultrazvučne talase u tečni medij (npr. kupku sa rastvaračem), gde usled naizmeničnih ciklusa visokog/niskog pritiska nastaju sitni vakuumski mehurići. Ovi vakuumski mjehurići rastu tokom nekoliko ciklusa, dok ne dostignu veličinu pri kojoj ne mogu apsorbirati daljnju energiju. U ovom trenutku, mjehurići naglo implodiraju. Implozija mjehurića lokalno stvara okolinu visoke energetske gustine sa mlazovima tekućine brzine do 280 m/s, intenzivnim turbulencijama, vrlo visokim temperaturama (približno 5.000 K), pritiscima (približno 2.000 atm) i shodno tome razlikama temperature i tlaka.
Ovaj fenomen ultrazvučno izazvane implozije mjehurića je poznata akustična kavitacija. Efekti akustične kavitacije uklanjaju kompozitni film aktivnog materijala sa folijskog strujnog kolektora, koji je s obje strane presvučen kompozitnim filmom. aktivni materijal uglavnom sadrži mješavinu litijum-mangan-oksida (LMO) i litijum-nikl-mangan-kobalt oksida (LiNiMnCoO2 ili NMC) u prahu, kao i čađu kao provodljivi aditiv.
Mehanizam ultrazvučnog raslojavanja zasniva se na fizičkim silama, koje su sposobne da razbiju molekularne veze. Zbog intenziteta snage ultrazvuka često su blaža otapala dovoljna da uklone slojeve aktivnog materijala sa folije ili strujnog kolektora. Zbog toga je ultrazvučno odvajanje elektrode brže, ekološki prihvatljivo i znatno manje energetski intenzivno.

Slike skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM) koje pokazuju morfološke promjene aktivnog materijala elektrode nakon ultrazvučnog delaminacije. Sve slike su snimljene uz povećanje od 5000x i energiju pobude od 10 kV. a) prethodno raslojavanje katodnog materijala, b) slojevit aktivni materijal katode, c) prethodno raslojavanje materijala anode i d) slojevit anodni materijal.
(studija i slike: Lei et al., 2021.)

Uništavanje baterije u odnosu na razdvajanje elektroda

Za obnavljanje aktivnog materijala koriste se vodeni ili organski rastvarači za otapanje metalne folije, polimernog veziva i/ili aktivnog materijala. Dizajn procesa i tok značajno utječu na konačni ishod oporavka materijala. Tradicionalni proces recikliranja baterija uključuje usitnjavanje baterijskih modula. Međutim, usitnjene komponente je teško razdvojiti na pojedinačne komponente. Zahtijeva složenu obradu kako bi se iz usitnjene mase dobio aktivan/vrijedan materijal. Da bi se ponovo upotrijebili obnovljeni aktivni materijali, potreban je određeni stupanj čistoće. Dobijanje visoko čistih materijala iz usitnjenih baterija uključuje složene procese, jaka otapala i stoga je skupo. Ultrazvučno ispiranje se uspješno koristi za intenziviranje i poboljšanje rezultata oporavka aktivnog materijala iz usitnjenih litijum-jonskih baterija.
Kao alternativni proces tradicionalnom usitnjavanju, odvajanje elektroda se pokazalo kao efikasan proces recikliranja baterija koji može značajno poboljšati čistoću dobijenih materijala. Za proces odvajanja elektroda, baterija se rastavlja na glavne komponente. Budući da elektrode sadrže najveći udio vrijednog materijala, elektroda se odvaja i kemijski tretira kako bi se aktivni materijali (litij, nikal, mangan, kobalt…) otopili iz obložene folije ili strujnog kolektora. Ultrazvučna obrada je dobro poznata po svojim intenzivnim efektima uzrokovanim akustičnom kavitacijom. Sonomehaničke sile primjenjuju dovoljno oscilacija i smicanja da uklone aktivne materijale, koji se naslanjaju na foliju. (Struktura obložene folije je slična sendviču, folija u sredini i sloj aktivnog materijala izgrađen je na vanjskoj površini.)
odvajanje elektroda bi bila održivija opcija od usitnjavanja, kada bi se koristila u kombinaciji s autonomnim rastavljanjem, omogućavajući čistije tokove otpada i veće zadržavanje vrijednosti u zalihama

Ultrazvučne sonotrode za razdvajanje elektroda

Specijalne sonotrode koje isporučuju potrebnu amplitudu za uklanjanje aktivnih materijala iz folije elektrode su lako dostupne. Kako se intenzitet akustične kavitacije smanjuje s povećanjem udaljenosti između sonotrode i elektrode, povoljan je kontinuirano ujednačen razmak između sonotrode i elektrode. To znači da se elektrodni sloj treba pomicati usko ispod vrha sonotrode, gdje su valovi pritiska jaki, a gustina kavitacije velika. Sa posebnim sonotrodama koje nude širu širinu od standardne cilindrične ultrazvučne sonde, Hielscher Ultrasonics nudi efikasno rješenje za ravnomjerno odvajanje listova elektroda iz električnih vozila. Na primjer, elektrode koje se koriste u baterijama električnih vozila (EV) u obliku vrećice obično imaju širinu od pribl. 20 cm. Sonotroda iste širine ravnomjerno prenosi akustičnu kavitaciju na cijeloj površini elektrode. Tako se u roku od nekoliko sekundi slojevi aktivnog materijala oslobađaju u rastvarač i mogu se ekstrahovati i prečistiti u prah. Ovaj prah se može ponovo koristiti za proizvodnju novih baterija.
Istraživački tim UK Faraday Institution izvještava da se uklanjanje slojeva aktivnog materijala sa LIB elektrode može završiti za manje od 10 s kada se elektroda nalazi direktno ispod sonotrode velike snage (1000 do 2000 W, npr. UIP1000hdT ili UIP2000hdT). Tokom ultrazvučnog tretmana, adhezivne veze između aktivnih materijala i strujnih kolektora se razbijaju tako da se u narednom koraku pročišćavanja može povratiti netaknuti kolektor struje i aktivni materijal u prahu.

Slike koje pokazuju učinak ultrazvuka na poleđini: a) anodnog lista litijum jonske baterije i b) katodnog lista litijum jonske baterije. Anoda je raslojena u rastvoru 0,05 M limunske kiseline; katoda je raslojena u rastvoru 0,1 M NaOH. Sonotroda je bila prečnika 20 mm, sa intenzitetom snage 120 W/cm2 primenjenim tokom 3 sekunde, na udaljenosti od 2,5 mm od sonotrode. Veličina uzorka bila je 3 cm x 3 cm.
(studija i slike: Lei et al., 2021.)

Ultrasonikatori za razdvajanje elektroda

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučne procesore visokih performansi, koji rade u opsegu od 20 kHz. Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrasonikatori su ultrazvučni procesori velike snage koji mogu isporučiti vrlo velike amplitude za zahtjevne primjene. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi u kontinuitetu u radu 24/7. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Za kontinuirani proces delaminacije elektroda, Hielscher nudi niz standardnih, kao i prilagođenih sonotroda. Veličina sonotrode može se prilagoditi veličini i širini materijala elektrode, čime se ciljaju na optimalne procesne uslove za visoku propusnost i vrhunski oporavak.

Literatura / Reference