Genbrug af elektrode – Meget effektiv med ultralyd delaminering

Ultralyd delaminering af elektroder gør det muligt at genvinde aktive materialer såsom lithium, nikkel, mangan, kobolt osv. inden for få sekunder. Derved gør ultralydelektrode delaminering genvinding af genanvendelige materialer fra batterier hurtigere, grøn og betydeligt mindre energiintensiv. Forskning har allerede vist, at ultralyd delaminering kan være 100 gange hurtigere end konventionelle genbrugsteknikker.

Power Ultralyd Forbedrer Genopretning af Aktive Materialer fra Elektroder

Ultralyd-assiteret delaminering af elektroder tilbyder en hurtig, effektiv og bæredygtig tilgang til genopretning af aktive materialer og folien. Disse dele af elektroden er værdifulde materialer, som kan genbruges til fremstilling af nye batterier. Ultralyd delaminering er ikke kun betydeligt mere energieffektiv end hydrometallurgiske og pyrometallurgiske genanvendelsesprocesser, de giver også i materialer af højere renhed.

Genbrug af batterier: Elektrodeseparation og delaminering

Genbrug af lithiumionbatteri (LIB) sigter mod at genvinde værdifulde materialer. Elektroderne indeholder dyrebare og sjældne materialer som lithium, nikkel, mangan, kobolt osv., Som effektivt kan genvindes ved hjælp af en kontinuerlig ultralydsdelamineringsproces. Ultralydsprocessorer udstyret med en sonde (sonotrode) kan skabe intense amplituder. Amplituden transmitterer ultralydbølger ind i det flydende medium (f.eks. Opløsningsmiddelbad), hvor der på grund af vekslende højtryks- / lavtrykscyklusser opstår små vakuumbobler. Disse vakuumbobler vokser over et par cyklusser, indtil de når en størrelse, hvor de ikke kan absorbere yderligere energi. På dette tidspunkt imploderer boblerne voldsomt. Bobleimplosionen genererer lokalt et meget energitæt miljø med væskestråler på op til 280 m / s hastighed, intense turbulenser, meget høje temperaturer (ca. 5.000K), tryk (ca. 2.000atm) og dermed temperatur- og trykforskelle.
Dette fænomen af ultralyd induceret boble implosion er kendt akustisk kavitation. Virkningerne af akustisk kavitation fjerner kompositfilmen af aktivt materiale fra foliestrømopsamleren, som er belagt på begge sider med kompositfilmen. aktivt materiale indeholder for det meste en blanding af lithiummanganoxid (LMO) og lithiumnikkel mangankoboltoxid (LiNiMnCoO2 eller NMC) pulver samt carbon black som ledende additiv.
Mekanismen for ultralyd delaminering er baseret på fysiske kræfter, som er i stand til at bryde molekylære bindinger. På grund af intensiteten af effekt-ultralyd er ofte mildere opløsningsmidler tilstrækkelige til at fjerne lagene af aktivt materiale fra folien eller strømopsamleren. Derved er ultralydsdelaminering af elektrode hurtigere, miljøvenlig og betydeligt mindre energiintensiv.

Scanning elektronmikroskopi (SEM) billeder, der viser de morfologiske ændringer i det elektrodeaktive materiale ved ultralydsdelaminering. Alle billeder blev taget med en 5000x forstørrelse og 10 kV excitationsenergi. a) for delaminering af katodemateriale, b) delamineret katodeaktivt materiale, c) forlaminering af anodemateriale og d) delamineret anodemateriale.
(studie og billeder: Lei et al., 2021)

Batterimakulering vs. elektrodeadskillelse

Til genvinding af det aktive materiale anvendes enten vandige eller organiske opløsningsmidler til at opløse metalfolien, polymerbindemidlet og/eller det aktive materiale. Procesdesignet og flowet påvirker det endelige resultat af materialegenvinding betydeligt. Den traditionelle batterigenvindingsproces involverer makulering af batterimodulerne. Strimlede komponenter er imidlertid vanskelige at adskille i individuelle komponenter. Det kræver kompleks forarbejdning for at opnå aktivt/værdifuldt materiale fra den strimlede masse. For at genbruge genvundne aktive materialer kræves en vis grad af renhed. Hentning af meget rene materialer fra strimlet batterimasse involverer komplekse processer, hårde opløsningsmidler og er derfor dyrt. Ultralydsudvaskning bruges med succes til at intensivere og forbedre resultaterne af aktiv materialegenvinding fra strimlede lithiumionbatterier.
Som en alternativ proces til den traditionelle makulering har elektrodeseparation vist sig som effektiv batterigenvindingsproces, der kan forbedre renheden af de opnåede materialer betydeligt. Til elektrodeseparationsprocessen adskilles batteriet i dets hovedkomponenter. Da elektroderne indeholder en største andel af værdifuldt materiale, adskilles elektroden og behandles kemisk for at opløse de aktive materialer (lithium, nikkel, mangan, kobolt ...) fra den belagte folie eller strømopsamler. Ultralydbehandling er kendt for sine intense virkninger forårsaget af akustisk kavitation. De sonomekaniske kræfter anvender tilstrækkelig svingning og forskydning til at fjerne de aktive materialer, som er lagdelt på folien. (Strukturen af en belagt folie ligner en sandwich, folien i midten og det aktive materialelag byggede den ydre overflade.)
elektrodeseparation ville være en mere levedygtig mulighed end makulering, når den anvendes sammen med autonom demontering, hvilket giver mulighed for renere affaldsstrømme og større værdifastholdelse i forsyningen

Ultralydssonotroder til elektrodedelaminering

Særlige sonotroder, der leverer den nødvendige amplitude for at fjerne de aktive materialer fra elektrodefolien, er let tilgængelige. Da intensiteten af akustisk kavitation falder med stigende afstand mellem sonotrode og elektrode, er en kontinuerlig ensartet afstand mellem sonotrode og elektrode gunstig. Det betyder, at elektrodepladen skal flyttes tæt under sonotrodspidsen, hvor trykbølgerne er stærke, og kavitationstætheden er høj. Med specielle sonotroder, der tilbyder en bredere bredde end den standard cylindriske ultralydssonde, tilbyder Hielscher Ultrasonics en effektiv løsning til ensartet delaminering af elektrodeplader fra elektriske køretøjer. For eksempel har elektroder, der anvendes i batterier til elektriske køretøjer (Pouch Cell Electric Vehicle), typisk en bredde på ca. 20 cm. En sonotrode af samme bredde transmitterer akustisk kavitation ensartet på hele elektrodeoverfladen. Derved frigives lagene af aktivt materiale inden for få sekunder i opløsningsmidlet og kan ekstraheres og renses til pulver. Dette pulver kan genbruges til produktion af nye batterier.
Forskerholdet fra Storbritanniens Faraday Institution rapporterer, at fjernelsen af de aktive materialelag fra LIB-elektroden kan afsluttes på mindre end 10 s, når elektroden er placeret direkte under en sonotrode med høj effekt (1000 til 2000 W, f.eks. UIP1000hdT eller UIP2000hdT). Under ultralydsbehandlingen brydes klæbemiddelbindingerne mellem de aktive materialer og strømopsamlere, således at der i et efterfølgende rensningstrin kan genvindes en intakt strømopsamler og pulveriseret aktivt materiale.

Billeder, der viser effekten af ultralyd på bagsiden af: a) lithiumionbatterianodeark og b) lithiumionbatterikatodeark. Anoden blev delamineret i en opløsning af 0,05 M citronsyre; katoden blev delamineret i en opløsning af 0,1 M NaOH. Sonotroden var 20 mm i diameter, med 120 W/cm2 effektintensitet påført i 3 sekunder, 2,5 mm væk fra sonotroden. Prøvestørrelsen var 3 cm x 3 cm.
(studie og billeder: Lei et al., 2021)

Ultralydapparater til elektrode delaminering

Hielscher Ultrasonics designer, fremstiller og distribuerer højtydende ultralydsprocessorer, der arbejder i 20kHz-området. Hielscher ultralyd’ industrielle ultralydapparater er ultralydprocessorer med høj effekt, som kan levere meget høje amplituder til krævende applikationer. Amplituder på op til 200 μm kan let kontinuerligt køres i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige. Til den kontinuerlige delamineringsproces af elektroder tilbyder Hielscher en række standard såvel som tilpassede sonotroder. Sonotrodestørrelsen kan tilpasses elektrodematerialets størrelse og bredde og derved målrette optimale procesbetingelser for høj gennemstrømning og overlegen genvinding.

Litteratur / Referencer