Recikliranje elektroda – visoko efikasno uz ultrazvučnu delaminaciju

Ultrazvučna delaminacija elektroda omogućava da se aktivni materijali poput litija, nikla, mangana, kobalta itd. izdvoje za nekoliko sekundi. Time ultrazvučna delaminacija elektroda čini oporavak materijala za ponovnu upotrebu iz baterija bržim, zelenijim i znatno manje energetski zahtjevnim. Istraživanja su već dokazala da ultrazvučna delaminacija može biti 100 puta brža od konvencionalnih tehnika recikliranja.

Snažni ultrazvuk poboljšava izdvajanje aktivnih materijala iz elektroda

Delaminacija elektroda potpomognuta ultrazvukom nudi brz, efikasan i održiv pristup izdvajanju aktivnih materijala i folije. Ovi dijelovi elektrode su vrijedni materijali koji se mogu ponovo upotrijebiti za proizvodnju novih baterija. Ultrazvučna delaminacija nije samo znatno energetski efikasnija od hidrometalurških i pirometalurških procesa recikliranja, nego daje i materijale veće čistoće.

Recikliranje baterija: odvajanje i delaminacija elektroda

Recikliranje litij-ionskih baterija (LIB) ima za cilj izdvajanje vrijednih materijala. Elektrode sadrže plemenite i rijetke materijale poput litija, nikla, mangana, kobalta itd., koji se mogu efikasno izdvojiti kontinuiranim procesom ultrazvučne delaminacije. Ultrazvučni procesori opremljeni sondom (sonotrodom) mogu stvarati intenzivne amplitude. Amplituda prenosi ultrazvučne valove u tečni medij (npr. kupku s otapalom), gdje se zbog naizmjeničnih ciklusa visokog i niskog pritiska stvaraju sitni vakuumski mjehurići. Ovi vakuumski mjehurići rastu tokom nekoliko ciklusa, sve dok ne dosegnu veličinu pri kojoj ne mogu apsorbirati dodatnu energiju. U tom trenutku mjehurići silovito implodiraju. Implozija mjehurića lokalno stvara okruženje vrlo visoke gustoće energije s tečnim mlazevima brzine do 280m/s, intenzivnim turbulencijama, vrlo visokim temperaturama (oko 5.000K), pritiscima (oko 2.000atm) i odgovarajućim temperaturnim i tlačnim razlikama.
Ova pojava ultrazvukom izazvane implozije mjehurića poznata je kao akustična kavitacija. Učinci akustične kavitacije uklanjaju kompozitni film aktivnog materijala s folije strujnog kolektora, koja je s obje strane prevučena kompozitnim filmom. Aktivni materijal uglavnom sadrži mješavinu praha litij-manganovog oksida (LMO) i litij-nikl-mangan-kobalt oksida (LiNiMnCoO2 ili NMC), kao i čađu kao provodljivi aditiv.
Mehanizam ultrazvučne delaminacije temelji se na fizičkim silama koje su u stanju razbiti molekularne veze. Zahvaljujući intenzitetu snažnog ultrazvuka, često su dovoljna blaža otapala za uklanjanje slojeva aktivnog materijala s folije ili strujnog kolektora. Time je ultrazvučna delaminacija elektroda brža, ekološki prihvatljivija i znatno manje energetski zahtjevna.

Snimci skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM) koji prikazuju morfološke promjene aktivnog materijala elektrode nakon ultrazvučne delaminacije. Svi snimci su načinjeni pri povećanju od 5000x i energiji pobude od 10 kV. a) katodni materijal prije delaminacije, b) delaminirani aktivni materijal katode, c) anodni materijal prije delaminacije i d) delaminirani anodni materijal.
(studija i slike: Lei et al., 2021)

Usitnjavanje baterija naspram odvajanja elektroda

Za izdvajanje aktivnog materijala koriste se vodena ili organska otapala kojima se otapaju metalna folija, polimerno vezivo i/ili aktivni materijal. Dizajn procesa i tok značajno utječu na konačni ishod izdvajanja materijala. Tradicionalni proces recikliranja baterija uključuje usitnjavanje baterijskih modula. Međutim, usitnjene komponente teško je razdvojiti na pojedinačne komponente. Za dobivanje aktivnog/vrijednog materijala iz usitnjene mase potrebna je složena obrada. Da bi se izdvojeni aktivni materijali mogli ponovo upotrijebiti, potreban je određeni stepen čistoće. Dobivanje visoko čistih materijala iz usitnjene mase baterija uključuje složene procese i agresivna otapala, pa je stoga skupo. Ultrazvučno luženje uspješno se koristi za intenziviranje i poboljšanje rezultata izdvajanja aktivnog materijala iz usitnjenih litij-ionskih baterija.
Kao alternativa tradicionalnom usitnjavanju, odvajanje elektroda se pokazalo kao djelotvoran proces recikliranja baterija koji može znatno poboljšati čistoću dobivenih materijala. Za proces odvajanja elektroda baterija se rastavlja na svoje glavne komponente. Budući da elektrode sadrže najveći udio vrijednog materijala, elektroda se odvaja i kemijski obrađuje kako bi se aktivni materijali (litij, nikl, mangan, kobalt …) otopili s prevučene folije ili strujnog kolektora. Ultrazvučna obrada (sonikacija) dobro je poznata po intenzivnim učincima izazvanim akustičnom kavitacijom. Sonomehaničke sile pružaju dovoljno oscilacija i smicanja da uklone aktivne materijale koji su nanijeti u slojevima na foliju. (Struktura prevučene folije slična je sendviču: folija je u sredini, a sloj aktivnog materijala čini vanjsku površinu.)
Odvajanje elektroda bilo bi održivija opcija od usitnjavanja kada se koristi zajedno s autonomnim rastavljanjem, što omogućava čistije tokove otpada i veće zadržavanje vrijednosti u lancu opskrbe

Ultrazvučne sonotrode za delaminaciju elektroda

Posebne sonotrode koje isporučuju potrebnu amplitudu za uklanjanje aktivnih materijala s folije elektrode lako su dostupne. Budući da intenzitet akustične kavitacije opada s povećanjem udaljenosti između sonotrode i elektrode, povoljna je kontinuirano ujednačena udaljenost između sonotrode i elektrode. To znači da list elektrode treba voditi blizu ispod vrha sonotrode, gdje su tlačni valovi jaki, a gustoća kavitacije visoka. Sa posebnim sonotrodama koje su šire od standardne cilindrične ultrazvučne sonde, Hielscher Ultrasonics nudi efikasno rješenje za ujednačenu delaminaciju listova elektroda iz električnih vozila. Na primjer, elektrode koje se koriste u baterijama električnih vozila (EV) tipa pouch ćelija obično imaju širinu od oko 20 cm. Sonotroda iste širine ujednačeno prenosi akustičnu kavitaciju na cijelu površinu elektrode. Time se za nekoliko sekundi slojevi aktivnog materijala oslobađaju u otapalo i mogu se izdvojiti i pročistiti u prah. Ovaj prah se može ponovo upotrijebiti za proizvodnju novih baterija.
Istraživački tim britanske institucije Faraday Institution izvještava da se uklanjanje slojeva aktivnog materijala s LIB elektrode može završiti za manje od 10 s kada se elektroda nalazi neposredno ispod sonotrode velike snage (1000 do 2000 W, npr. UIP1000hdT ili UIP2000hdT). Tokom ultrazvučne obrade prekidaju se adhezijske veze između aktivnih materijala i strujnih kolektora, tako da se u narednom koraku pročišćavanja mogu izdvojiti neoštećen strujni kolektor i aktivni materijal u obliku praha.

Slike koje prikazuju učinak ultrazvuka na stražnjoj strani: a) anodnog lista litij-ionske baterije i b) katodnog lista litij-ionske baterije. Anoda je delaminirana u otopini 0,05 M limunske kiseline; katoda je delaminirana u otopini 0,1 M NaOH. Sonotroda je imala promjer 20 mm, s intenzitetom snage od 120 W/cm2 primijenjenim 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)

Ultrazvučni uređaji za delaminaciju elektroda

Hielscher Ultrasonics projektuje, proizvodi i distribuira visokoučinkovite ultrazvučne procesore koji rade u rasponu od 20kHz. Industrijski ultrazvučni uređaji kompanije Hielscher Ultrasonics su ultrazvučni procesori velike snage koji mogu isporučiti vrlo visoke amplitude za zahtjevne primjene. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Za još više 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 optimalni procesni uvjeti za visok protok i vrhunsko izdvajanje.

Literatura / reference

• 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.