Recyklace elektrod – Vysoce efektivní s ultrazvukovou delaminací
Ultrazvuková delaminace elektrod umožňuje obnovit aktivní materiály, jako je lithium, nikl, mangan, kobalt atd., Během několika sekund. Díky ultrazvukové delaminaci elektrod je tak získávání opakovaně použitelných materiálů z baterií rychlejší, ekologičtější a výrazně méně energeticky náročné. Výzkum již prokázal, že ultrazvuková delaminace může být 100krát rychlejší než běžné recyklační techniky.
Výkonový ultrazvuk zlepšuje regeneraci aktivních materiálů z elektrod
Ultrazvukem podporovaná delaminace elektrod nabízí rychlý, efektivní a udržitelný přístup k získávání aktivních materiálů a fólie. Tyto části elektrody jsou cenným materiálem, který lze znovu použít pro výrobu nových baterií. Ultrazvuková delaminace je nejen výrazně energeticky účinnější než hydrometalurgické a pyrometalurgické recyklační procesy, ale také poskytuje materiály s vyšší čistotou.
- Rychlý (dokončeno během několika sekund)
- Snadná implementace
- Přizpůsobitelné velikostem elektrod
- Šetrný k životnímu prostředí
- Úsporný
- Trezor
Recyklace baterií: Separace elektrod a delaminace
Recyklace lithium-iontových baterií (LIB) má za cíl získat cenné materiály. Elektrody obsahují vzácné a vzácné materiály, jako je lithium, nikl, mangan, kobalt atd., které lze účinně získat pomocí kontinuálního procesu ultrazvukové delaminace. Ultrazvukové procesory vybavené sondou (sonotrodou) mohou vytvářet intenzivní amplitudy. Amplituda přenáší ultrazvukové vlny do kapalného média (např. rozpouštědlové lázně), kde v důsledku střídání vysokotlakých / nízkotlakých cyklů vznikají nepatrné podtlakové bubliny. Tyto vakuové bubliny rostou během několika cyklů, dokud nedosáhnou velikosti, při které nemohou absorbovat žádnou další energii. V tomto okamžiku bubliny prudce implodují. Imploze bublin vytváří lokálně prostředí s vysokou energetickou hustotou s proudy kapaliny o rychlosti až 280 m/s, intenzivními turbulencemi, velmi vysokými teplotami (cca 5 000 K), tlaky (cca 2 000 atm) a odpovídajícími teplotními a tlakovými rozdíly.
Tento jev ultrazvukem vyvolané imploze bublin je známý jako akustická kavitace. Účinky akustické kavitace odstraňují kompozitní film aktivního materiálu z fóliového sběrače proudu, který je na obou stranách potažen kompozitní fólií. aktivní materiál obsahuje převážně směs prášku oxidu manganatého lithného (LMO) a lithia niklu, manganu a kobaltu (LiNiMnCoO2 nebo NMC) a také saze jako vodivou přísadu.
Mechanismus ultrazvukové delaminace je založen na fyzikálních silách, které jsou schopny přerušit molekulární vazby. Vzhledem k intenzitě výkonového ultrazvuku postačují k odstranění vrstev aktivního materiálu z fólie nebo sběrače proudu často mírnější rozpouštědla. Ultrazvuková delaminace elektrody je tak rychlejší, šetrnější k životnímu prostředí a výrazně méně energeticky náročná.

Snímky ze skenovací elektronové mikroskopie (SEM) ukazující morfologické změny aktivního materiálu elektrody po ultrazvukové delaminaci. Všechny snímky byly pořízeny při 5000x zvětšení a excitační energii 10 kV. a) předdelaminace katodového materiálu, b) delaminovaný katodový aktivní materiál, c) předdelaminace anodového materiálu a d) delaminovaný anodový materiál.
(studie a obrázky: Lei et al., 2021)
Skartace baterie vs. oddělení elektrod
Pro regeneraci aktivního materiálu se k rozpuštění kovové fólie, polymerního pojiva a/nebo aktivního materiálu používají buď vodná, nebo organická rozpouštědla. Návrh procesu a tok významně ovlivňují konečný výsledek využití materiálu. Tradiční proces recyklace baterií zahrnuje drcení bateriových modulů. Rozdrcené složky je však obtížné rozdělit na jednotlivé složky. Vyžaduje složité zpracování, aby se z rozdrcené hmoty získal aktivní/cenný materiál. Aby bylo možné znovu použít regenerované aktivní materiály, je vyžadován určitý stupeň čistoty. Získávání vysoce čistých materiálů z rozdrcených baterií zahrnuje složité procesy, drsná rozpouštědla, a proto je nákladné. Ultrazvukové loužení se úspěšně používá k zintenzivnění a zlepšení výsledků aktivního získávání materiálu z rozdrcených lithium-iontových baterií.
Jako alternativní proces k tradičnímu drcení se ukázalo, že separace elektrod je účinný proces recyklace baterií, který může výrazně zlepšit čistotu získaných materiálů. Při procesu separace elektrod je baterie rozebrána na její hlavní součásti. Vzhledem k tomu, že elektrody obsahují největší podíl cenného materiálu, je elektroda oddělena a chemicky ošetřena, aby se rozpustily aktivní materiály (lithium, nikl, mangan, kobalt...) z potažené fólie nebo sběrače proudu. Ultrazvuku je dobře známý pro své intenzivní účinky způsobené akustickou kavitací. Sonomechanické síly vyvíjejí dostatečnou oscilaci a smyk, aby odstranily aktivní materiály, které jsou navrstveny na fólii. (Struktura potažené fólie je podobná sendviči, fólie uprostřed a aktivní vrstva materiálu tvoří vnější povrch.)
Separace elektrod by byla schůdnější možností než drcení, pokud by se používala ve spojení s autonomní demontáží, což by umožnilo čistší toky odpadu a větší zachování hodnoty v dodávkách

Ultrazvukový přístroj UIP2000hdT je 2000 W výkonný procesor pro delaminaci elektrod a díky tomu je recyklace baterií rychlejší, efektivnější a šetrnější k životnímu prostředí.
Ultrazvukové sonotrody pro delaminaci elektrod
K dispozici jsou speciální sonotrody dodávající požadovanou amplitudu pro odstranění aktivních materiálů z elektrodové fólie. Vzhledem k tomu, že intenzita akustické kavitace klesá s rostoucí vzdáleností mezi sonotrodou a elektrodou, je příznivá trvale rovnoměrná vzdálenost mezi sonotrodou a elektrodou. To znamená, že elektrodová deska by se měla pohybovat těsně pod hrotem sonotrody, kde jsou tlakové vlny silné a hustota kavitace je vysoká. Se speciálními sonotrodami, které nabízejí širší šířku než standardní válcová ultrazvuková sonda, nabízí Hielscher Ultrasonics efektivní řešení pro rovnoměrnou delaminaci elektrodových desek z elektrických vozidel. Například elektrody používané v bateriích elektrických vozidel (EV) mají obvykle šířku přibližně 20 cm. Sonotroda stejné šířky přenáší akustickou kavitaci rovnoměrně na celý povrch elektrody. Během několika sekund se tak vrstvy aktivního materiálu uvolní do rozpouštědla a mohou být extrahovány a čištěny na prášek. Tento prášek lze znovu použít pro výrobu nových baterií.
Výzkumný tým z britského Faraday Institution uvádí, že odstranění aktivních vrstev materiálu z elektrody LIB může být dokončeno za méně než 10 s, pokud je elektroda umístěna přímo pod sonotrodou s vysokým výkonem (1000 až 2000 W, např. UIP1000hdT nebo UIP2000hdT). Během ultrazvukového ošetření se adhezivní vazby mezi aktivními materiály a sběrači proudu přeruší, takže v následném kroku čištění lze získat neporušený sběrač proudu a práškový aktivní materiál.

Obrázky znázorňující účinek ultrazvuku na zadní straně: a) anodového plechu lithium-iontové baterie a b) katodového plechu lithium-iontové baterie. Anoda byla delaminována v roztoku 0,05 M kyseliny citronové; katoda byla delaminována v roztoku 0,1 M NaOH. Sonotroda měla průměr 20 mm a intenzitu výkonu 120 W/cm2 aplikovanou po dobu 3 sekund, ve vzdálenosti 2,5 mm od sonotrody. Velikost vzorku byla 3 cm x 3 cm.
(studie a obrázky: Lei et al., 2021)
Ultrasonicators pro delaminaci elektrod
Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrazvukové procesory, které pracují v rozsahu 20 kHz. Hielscher Ultrazvuk’ Průmyslové ultrazvukové procesory jsou vysoce výkonné ultrazvukové procesory, které mohou dodávat velmi vysoké amplitudy pro náročné aplikace. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Pro kontinuální proces delaminace elektrod nabízí Hielscher řadu standardních i přizpůsobených sonotrod. Velikost sonotrody lze přizpůsobit velikosti a šířce materiálu elektrody, čímž se zaměří na optimální procesní podmínky pro vysokou propustnost a vynikající výtěžnost.
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
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.

Na obrázku je měděná fólie, ze které byly odstraněny vrstvy grafitu a aktivního materiálu ultrazvukovým ošetřením trvajícím několik sekund. Získané složky jsou v roztoku s vysokou čistotou a získaným sběračem proudu je čistá měď.
(Obrázek a studie: Faraday Institution, Univerzita v Birminghamu, Univerzita v Leicesteru)

Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.