Genbrug af elektroder – Meget effektiv med ultralydsdelaminering

Ultralydsdelaminering af elektroder gør det muligt at genvinde aktive materialer som lithium, nikkel, mangan, kobolt osv. inden for få sekunder. Derved gør ultralydselektrodelaminering genvindingen af genanvendelige materialer fra batterier hurtigere, grøn og betydeligt mindre energikrævende. Forskning har allerede vist, at ultralydsdelaminering kan være 100 gange hurtigere end konventionelle genbrugsteknikker.

Power Ultrasound forbedrer genvinding af aktive materialer fra elektroder

Ultralydsassisteret delaminering af elektroder giver en hurtig, effektiv og bæredygtig tilgang til genvinding af aktive materialer og folien. Disse dele af elektroden er værdifulde materialer, som kan genbruges til fremstilling af nye batterier. Ultralydsdelaminering er ikke kun betydeligt mere energieffektiv end hydrometallurgiske og pyrometallurgiske genbrugsprocesser, de giver også i materialer med højere renhed.

Genbrug af batterier: Elektrodeadskillelse og delaminering

Genbrug af lithium-ion-batterier (LIB) har til formål at genvinde værdifulde materialer. Elektroderne indeholder ædle 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 ultralydsbølger ind i det flydende medium (f.eks. opløsningsmiddelbad), hvor der på grund af skiftende 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. 5.000 K), tryk (ca. 2.000 atm) og dermed temperatur- og trykforskelle.
Dette fænomen med ultralydsinduceret bobleimplosion er kendt akustisk kavitation. Virkningerne af akustisk kavitation fjerner kompositfilmen af aktivt materiale fra foliestrømsolfangeren, som er belagt på begge sider med kompositfilmen. aktivt materiale indeholder for det meste en blanding af lithiummanganoxid (LMO) og lithiumnikkelmangankoboltoxid (LiNiMnCoO2 eller NMC) pulver samt kønrøg som ledende tilsætningsstof.
Mekanismen for ultralydsdelaminering 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 ultralydsdelamineringen af elektroden hurtigere, miljøvenlig og betydeligt mindre energikrævende.

Scanningselektronmikroskopi (SEM) billeder, der viser de morfologiske ændringer i elektrodeaktivt materiale ved ultralydsdelaminering. Alle billeder blev taget med en 5000x forstørrelse og 10 kV excitationsenergi. a) katodemateriale præ-delaminering, b) delamineret katodeaktivt materiale, c) anodemateriale præ-delaminering 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 batterigenbrugsproces involverer makulering af batterimodulerne. Makulerede komponenter er dog vanskelige at adskille i individuelle komponenter. Det kræver kompleks behandling for at opnå aktivt/værdifuldt materiale fra den strimlede masse. For at genbruge genvundne aktive materialer kræves en vis renhedsgrad. Udtagning af meget rene materialer fra makuleret batterimasse involverer komplekse processer, skrappe opløsningsmidler og er derfor dyrt. Ultralydsudvaskning bruges med succes til at intensivere og forbedre resultaterne af aktiv materialegenvinding fra strimlede lithium-ion-batterier.
Som en alternativ proces til den traditionelle makulering har elektrodeseparation vist sig at være en effektiv batterigenbrugsproces, der kan forbedre renheden af de opnåede materialer betydeligt. Til elektrodeseparationsprocessen skilles batteriet ad 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 påfører tilstrækkelig svingning og forskydning til at fjerne de aktive materialer, som er lagt på folien. (Strukturen af en belagt folie ligner en sandwich, folien i midten og det aktive materialelag byggede den ydre overflade.)
Elektrodeadskillelse ville være en mere levedygtig løsning end makulering, når den bruges sammen med autonom adskillelse, hvilket giver mulighed for renere affaldsstrømme og større værdibevarelse i forsyningen

Ultralydsonotroder til elektrodelaminering

Specielle sonotroder, der leverer den nødvendige amplitude til 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 kontinuerligt ensartet afstand mellem sonotrode og elektrode gunstig. Det betyder, at elektrodearket skal flyttes tæt under sonotrodespidsen, 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 bruges i posecellebatterier til elektriske køretøjer (EV), typisk en bredde på ca. 20 cm. En sonotrode med samme bredde transmitterer akustisk kavitation ensartet på hele elektrodeoverfladen. Derved frigives lagene af aktivt materiale i løbet af 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 sekunder, når elektroden er placeret direkte under en højeffektsonotrode (1000 til 2000 W, f.eks. UIP1000hdT eller UIP2000hdT). Under ultralydsbehandlingen brydes klæbemiddelbindingerne mellem de aktive materialer og strømsolfangere, så der i et efterfølgende rensningstrin kan genvindes en intakt strømopsamler og pulveriseret aktivt materiale.

Billeder, der viser effekten af ultralyd på bagsiden af: a) lithium-ion-batteri-anodeark og b) lithium-ion-batterikatodeark. Anoden blev delamineret i en opløsning af 0,05 M citronsyre; katoden blev delamineret i en opløsning på 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 elektrodelaminering

Hielscher Ultrasonics designer, fremstiller og distribuerer højtydende ultralydsprocessorer, der arbejder i 20kHz-området. Hielscher Ultralyd’ Industrielle ultralydapparater er ultralydsprocessorer med høj effekt, som kan levere meget høje amplituder til krævende applikationer. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt 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 dermed målrettes optimale procesbetingelser for høj gennemstrømning og overlegen genvinding.

Litteratur / Referencer