Recikliranje elektroda – Visoko efikasno sa ultrazvučnom delaminacijom

Ultrazvučna delaminacija elektroda omogućava oporavak aktivnih materijala kao što su litij, nikl, mangan, kobalt itd. u roku od nekoliko sekundi. Time, ultrazvučna delaminacija elektroda čini oporavak materijala koji se mogu ponovo koristi iz baterija brže, zeleno, a znatno manje energetski intenzivno. Istraživanja su već dokazala da ultrazvučna delaminacija može biti 100 puta brža od konvencionalnih tehnika recikliranja.

Power Ultrazvuk poboljšava oporavak aktivnih materijala od elektroda

Ultrazvučno asited delaminacija elektroda nudi brz, efikasan i održiv pristup oporavlja aktivne materijale i foliju. Ovi dijelovi elektrode su vrijedni materijali, koji se mogu ponovo koristiti za proizvodnju novih baterija. Ultrazvučna delaminacija nije samo značajno energetski efikasnija od hidrometalurgijskog i piromametalurškog procesa reciklaže, oni također prinose u materijalima više čistoće.

Recikliranje baterije: Odvajanje elektroda i delaminacija

Recikliranje litij-iona (LIB) ima za cilj oporavak vrijednih materijala. Elektrode sadrže dragocjene i rijetke materijale kao što su litij, nikl, mangan, kobalt itd., koji se mogu efikasno oporaviti koristeći kontinuirani ultrazvučni proces delaminacije. Ultrazvučni procesori opremljeni sondom (sonotrode) mogu stvoriti intenzivne amplitude. Amplituda prenosi ultrazvučne valove u tekući medij (npr. kupka s otapajem), gdje zbog naizmjenični ciklusa visokog tlaka / niskog tlaka nastaju minutni vakuumski mjehurići. Ovi vakuumni mjehurići rastu preko nekoliko ciklusa, dok ne dosegnu veličinu na kojoj ne mogu apsorbirati bilo kakvu dalju energiju. U ovom trenutku, mjehurići impliraju nasilno. Implozija mjehurića lokalno stvara visoko energetski gusto okruženje s tekućim mlaznjacima do 280m/s brzine, intenzivnim turbulencijama, vrlo visokim temperaturama (cca 5.000K), pritiscima (cca. 2.000atm) i u skladu s temperaturnim i pritisnim dieficialima.
Ovaj fenomen ultrazvučno izazvane implozije mjehurića je poznata akustična kavitacija. Efekti akustične kavitacije uklanjaju kompozioni film aktivnog materijala iz kolekcionara struje folije, koji je obložen sa obje strane kompoziotnim filmom. aktivni materijal sadrži uglavnom mješavinu litij-mangan oksida (LMO) i litij nikl manganijevog kobalt oksida (LiNiMnCoO2 ili NMC) u prahu kao i ugljika crnog kao provodljivog dodatka.
Mehanizam ultrazvučne delaminacije se zasniva na fizičkim silama, koje su sposobne da razbiju molekularne veze. Zbog jakosti snage-ultrazvuka često su blaža otapalima dovoljna za uklanjanje sloja aktivnog materijala iz folije ili strujnog kolekcionara. Prema tome, ultrazvučna delaminacija elektrode je brža, ekološki i znatno manje energetski intenzivna.

Skenirajući elektronsku mikroskopiju (SEM) slike koje pokazuju morfološke promjene elektrode aktivnog materijala na ultrazvučnoj delaminaciji. Sve slike su snimljene pri uvećavanju od 5000x i 10 kV energije uzbuđenja. a) katodna materijalna pre-delaminacija, b) delaminirani katodni aktivni materijal, c) anodni materijal pre delaminacije i d) delaminirani anodni materijal.
(studija i slike: Lei et al., 2021)

Battery Shredding vs. Electrode Separation

Za oporavak aktivnog materijala koriste se ili organskih otapala za rastvaranje metalne forije, polimernog veze i/ili aktivnog materijala. Procesni dizajn i protok značajno utiču na konačni ishod oporavka materijala. Tradicionalni proces recikliranja baterija uključuje seckanje modula baterije. Međutim, isjeckane komponente je teško odvojiti na pojedinačne komponente. Zahtijeva složenu obradu kako bi se dobio aktivan/vrijedan materijal iz isjeckane mase. Da bi se ponovo koristili vraćeni aktivni materijali, potreban je određeni stepen čistoće. Dohvaćanje visoko čistih materijala iz isjeckane baterije bulk uključuje složene procese, oštri otapao i stoga je skup. Ultrazvučni izliv se uspješno koristi za intenzivaciju i poboljšanje rezultata oporavka aktivnog materijala iz isjeckanih litij-ionih baterija.
Kao alternativni proces tradicionalnog seckanja, separacija elektroda je prikazana kao uticajan proces recikliranja baterija koji može značajno poboljšati čistoću dobivenih materijala. Za proces razdvajanja elektroda, baterija se rastavlja u njegove glavne komponente. Pošto elektrode sadrže najveći udio vrijednog materijala, elektroda se odvaja i tretira hemijski kako bi se otopili aktivni materijali (litij, nikl, mangan, kobalt ...) od obložene folije ili strujnog kolekcionera. Ultrasonication je dobro poznat po intenzivnim efektima uzrokovanim akustičnim kavitacijama. Sonomehaničke sile primjenjuju dovoljno oscilacija i smijanje za uklanjanje aktivnih materijala, koji su slojem na foliju. (Struktura premazane folije slična je sendviču, foliji u centru i aktivnom materijalnom sloju izgrađena je izvanja površina.)
odvajanje elektroda bi bilo održivija opcija od seckanja, kada se koristi u vezi sa autonomnim rastavljanje, omogućavajući čistije tokove smeća i veće zatamnjenje vrednosti u snabdevanju

Ultrazvučne sonotrode za delaminaciju elektroda

Specijalni sonotrodi koji isporučuje traženu amplitudu za uklanjanje aktivnih materijala iz elektrode folija su odmah dostupni. Kako se jačina akustičke kavitacije umanji s povećanjem udaljenosti između sonotrode i elektrode, pogoduje kontinuirano uočljivo rastojanje između sonotrode i elektrode. To znači, elektrodni lim treba pomjerati usko ispod vrha sonotrode, gdje su talasi pritiska jaki, a gustina kavitacije velika. Sa specijalnim sonotrodama koje nude širu širinu od standardne cilindrične ultrazvučne sonde, Hielscher Ultrasonics nudi efikasno rješenje za uniformnu delaminaciju elektrodnih limova iz električnih vozila. Na primjer, elektrode koje se koriste u baterijama električnog vozila (EV) imaju obično širinu od cca 20 cm. Sonotrode iste širine prenose akustičnu kavitaciju u uniformi na cijeloj površini elektroda. Time se u roku od nekoliko sekundi slojovi aktivnog materijala ispuštaju u otapao i mogu se izvući i pročistiti u prah. Ovaj prah se može prenamjeniti za proizvodnju novih baterija.
Istraživački tim U.K.-ove Faraday institucije javlja da uklanjanje aktivnih sloja materijala iz LIB elektrode može biti završeno za manje od 10 s kada se elektroda nalazi direktno ispod sonotrode visoke snage (1000 do 2000 W, npr. UIP1000hdT ili UIP2000hdT). Tokom ultrazvučnog tretmana slomljene su lešne veze između aktivnih materijala i strujnih kolektora tako da se u naknadnom koraku pročišćavanja može oporaviti netaknuti strujni kolekcionar i aktivni materijal u prahu.

Slike koje pokazuju učinak ultrazvuka na straznju stranu: a) litij-iona anodnog lima baterije, i b) litij-iona katodnog lima baterije. Anoda je delaminirana u otopini od 0,05 M citratne kiseline; katoda je delaminirana u otopini od 0,1 M NaOH. Sonotrode je bio promjera 20 mm, sa 120 W/cm2 snage nanesenim na 3 sekunde, na 2,5 mm udaljenoj od sonotrode. Veličina uzorka je bila 3 cm x 3 cm.
(studija i slike: Lei et al., 2021)

Ultrasonicators for Electrode Delamination

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučne procesore visokih performansi, koji rade u rasponu od 20kHz. Hielscher Ultrasonics’ Industrijski ultrasonicatori su ultrazvučni procesori velike snage koji mogu isporučiti vrlo visoke amplitute za zahtjevne aplikacije. Amplitute do 200μm mogu se lako kontinuirano pokrenuti u 24/7 operaciji. Za još više amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Za kontinuirani proces delaminacije elektroda, Hielscher nudi niz standarda kao i prilagođene sonotrode. Veličina sonotrode se može prilagoditi veličini i širini elektrodnog materijala, i time ciljati optimalne procesne uvjete za visok prolaz i superiorni oporavak.

Književnost/reference