Genanvendelse af elektroder – yderst effektiv med ultralydsdelaminering

Ultralydsdelaminering af elektroder gør det muligt at genvinde aktive materialer såsom lithium, nikkel, mangan, kobolt osv. inden for få sekunder. Dermed gør ultralydsdelaminering af elektroder genvindingen af genanvendelige materialer fra batterier hurtigere, miljøvenlig og betydeligt mindre energikrævende. Forskning har allerede påvist, at ultralydsdelaminering kan være 100 gange hurtigere end konventionelle genanvendelsesteknikker.

Højintensiv ultralyd forbedrer genvindingen af aktive materialer fra elektroder

Ultralydsassisteret delaminering af elektroder tilbyder en hurtig, effektiv og bæredygtig metode til at genvinde aktive materialer og folien. Disse dele af elektroden er værdifulde materialer, som kan genanvendes til fremstilling af nye batterier. Ultralydsdelaminering er ikke kun betydeligt mere energieffektiv end hydrometallurgiske og pyrometallurgiske genanvendelsesprocesser, men giver også materialer med højere renhed.

Genanvendelse af batterier: elektrodeseparation og delaminering

Genanvendelse af lithium-ion-batterier (LIB) har til formål at genvinde værdifulde materialer. Elektroderne indeholder værdifulde og sjældne materialer såsom lithium, nikkel, mangan, kobolt osv., som effektivt kan genvindes ved hjælp af en kontinuerlig ultralydsdelamineringsproces. Ultralydsprocessorer udstyret med en probe (sonotrode) kan frembringe kraftige amplituder. Amplituden overfører ultralydsbølger til det flydende medium (f.eks. et opløsningsmiddelbad), hvor der opstår bittesmå vakuumbobler som følge af skiftende højtryks- og lavtrykscyklusser. Disse vakuumbobler vokser over nogle få cyklusser, indtil de når en størrelse, hvor de ikke kan absorbere mere energi. På dette tidspunkt imploderer boblerne voldsomt. Boblernes implosion skaber lokalt et miljø med meget høj energitæthed med væskestråler med en hastighed på op til 280m/s, kraftig turbulens, meget høje temperaturer (ca. 5.000K), tryk (ca. 2.000atm) og tilsvarende temperatur- og trykforskelle.
Dette fænomen med ultralydsinduceret bobleimplosion er kendt som akustisk kavitation. Virkningerne af akustisk kavitation fjerner kompositfilmen af aktivt materiale fra strømkollektorfolien, som er belagt med kompositfilmen på begge sider. Det aktive materiale indeholder hovedsageligt en blanding af pulver af lithiummanganoxid (LMO) og lithiumnikkelmangankoboltoxid (LiNiMnCoO2 eller NMC) samt carbon black som ledende tilsætningsstof.
Mekanismen bag ultralydsdelaminering er baseret på fysiske kræfter, som kan bryde molekylære bindinger. På grund af den højintensive ultralyd er mildere opløsningsmidler ofte tilstrækkelige til at fjerne lagene af aktivt materiale fra folien eller strømkollektoren. Dermed er ultralydsdelaminering af elektroder hurtigere, miljøvenlig og betydeligt mindre energikrævende.

Billeder fra scanningelektronmikroskopi (SEM), der viser de morfologiske ændringer i elektrodens aktive materiale ved ultralydsdelaminering. Alle billeder blev taget ved en forstørrelse på 5000x og en excitationsenergi på 10 kV. a) katodemateriale før delaminering, b) delamineret aktivt katodemateriale, c) anodemateriale før delaminering og d) delamineret anodemateriale.
(undersøgelse og billeder: Lei et al., 2021)

Neddeling af batterier kontra elektrodeseparation

Til genvinding af det aktive materiale anvendes enten vandige eller organiske opløsningsmidler til at opløse metalfolien, polymerbindemidlet og/eller det aktive materiale. Processens udformning og forløb har betydelig indflydelse på det endelige resultat af materialegenvindingen. Den traditionelle proces til genanvendelse af batterier omfatter neddeling af batterimodulerne. Neddelte komponenter er imidlertid vanskelige at adskille i individuelle komponenter. Det kræver kompleks behandling at udvinde aktivt/værdifuldt materiale fra den neddelte masse. For at genanvende genvundne aktive materialer kræves en vis renhedsgrad. Udvinding af materialer med meget høj renhed fra neddelt batterimasse kræver komplekse processer og aggressive opløsningsmidler og er derfor dyr. Ultralydsudvaskning anvendes med succes til at intensivere og forbedre resultaterne af genvindingen af aktivt materiale fra neddelte lithium-ion-batterier.
Som alternativ til traditionel neddeling har elektrodeseparation vist sig at være en effektiv proces til genanvendelse af batterier, som kan forbedre renheden af de udvundne materialer betydeligt. Ved elektrodeseparation skilles batteriet ad i sine hovedkomponenter. Da elektroderne indeholder den største andel af værdifuldt materiale, separeres elektroden og behandles kemisk for at opløse de aktive materialer (lithium, nikkel, mangan, kobolt …) fra den belagte folie eller strømkollektor. Sonikering er velkendt for sine kraftige virkninger forårsaget af akustisk kavitation. De sonomekaniske kræfter skaber tilstrækkelige svingninger og forskydningskræfter til at fjerne de aktive materialer, som er påført folien i lag. (Strukturen af en belagt folie minder om en sandwich med folien i midten og laget af aktivt materiale som den ydre overflade.)
Elektrodeseparation ville være en mere gennemførlig mulighed end neddeling, når den anvendes sammen med autonom adskillelse, og ville muliggøre renere affaldsstrømme og større værdibevarelse i forsyningen

Ultralydssonotroder til delaminering af elektroder

Specialsonotroder, der leverer den nødvendige amplitude til at fjerne de aktive materialer fra elektrodefolien, er let tilgængelige. Da intensiteten af den akustiske kavitation falder med stigende afstand mellem sonotrode og elektrode, er det fordelagtigt at holde afstanden mellem sonotroden og elektroden konstant. Det betyder, at elektrodearket bør bevæges tæt under sonotrodespidsen, hvor trykbølgerne er kraftige, og kavitationstætheden er høj. Med specialsonotroder, der er bredere end den cylindriske standardultralydsprobe, tilbyder Hielscher Ultrasonics en effektiv løsning til ensartet delaminering af elektrodeark fra elbiler. For eksempel har elektroder, der anvendes i elbilbatterier (EV) med poseceller, typisk en bredde på ca. 20 cm. En sonotrode med samme bredde overfører akustisk kavitation ensartet over hele elektrodens overflade. Dermed frigives lagene af aktivt materiale til opløsningsmidlet inden for få sekunder og kan ekstraheres og oprenses til pulver. Dette pulver kan genanvendes til fremstilling af nye batterier.
Forskerholdet ved Faraday Institution i Storbritannien rapporterer, at fjernelsen af lagene af aktivt materiale fra en LIB-elektrode kan fuldføres 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 de adhæsive bindinger mellem de aktive materialer og strømkollektorerne, så en intakt strømkollektor og aktivt materiale i pulverform kan genvindes i et efterfølgende oprensningstrin.

Billeder, der viser virkningen af ultralyd på bagsiden af: a) et anodeark fra et lithium-ion-batteri og b) et katodeark fra et lithium-ion-batteri. Anoden blev delamineret i en opløsning af 0,05 M citronsyre; katoden blev delamineret i en opløsning af 0,1 M NaOH. Sonotroden havde en diameter på 20 mm, og en effektintensitet på 120 W/cm2 blev anvendt i 3 sekunder i en afstand af 2,5 mm fra sonotroden. Prøvestørrelsen var 3 cm x 3 cm.
(undersøgelse og billeder: Lei et al., 2021)

Ultralydsapparater til delaminering af elektroder

Hielscher Ultrasonics udvikler, fremstiller og distribuerer højtydende ultralydsprocessorer, som arbejder i 20kHz-området. Hielscher Ultrasonics’ industrielle ultralydsapparater er ultralydsprocessorer med høj effekt, som kan levere meget høje amplituder til krævende anvendelser. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt ved drift 24/7. Til endnu højere amplituder fås kundetilpassede ultralydssonotroder. Til den kontinuerlige delamineringsproces for elektroder tilbyder Hielscher en række standardsonotroder samt kundetilpassede sonotroder. Sonotrodens størrelse kan tilpasses elektrodematerialets størrelse og bredde, så der tilstræbes optimale procesbetingelser for høj gennemstrømningskapacitet og fremragende genvinding.

Litteratur / Referencer

• 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.