Elektroden-Recycling – Hocheffiziente Delaminierung mit Ultraschall

Die Delaminierung von Elektroden mit Ultraschall ermöglicht die Rückgewinnung aktiver Materialien wie Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt usw. innerhalb von Sekunden. Dadurch wird die Rückgewinnung von wiederverwendbaren Materialien aus Batterien schneller, umweltfreundlicher und deutlich weniger energieintensiv. Die Forschung hat bereits bewiesen, dass die Ultraschall-Delaminierung 100-mal schneller sein kann als herkömmliche Recyclingtechniken.

Leistungsstarker Ultraschall verbessert die Rückgewinnung aktiver Materialien von Elektroden

Die ultraschallunterstützte Delaminierung von Elektroden bietet einen schnellen, effizienten und nachhaltigen Ansatz zur Rückgewinnung aktiver Materialien und der Folie. Diese Teile der Elektrode sind wertvolle Materialien, die für die Herstellung neuer Batterien wiederverwendet werden können. Die Ultraschall-Delaminierung ist nicht nur wesentlich energieeffizienter als hydrometallurgische und pyrometallurgische Recyclingverfahren, sondern liefert auch Materialien von höherer Reinheit.

Batterie-Recycling: Elektrodentrennung und Delamination

Das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) zielt auf die Rückgewinnung wertvoller Materialien ab. Die Elektroden enthalten wertvolle und seltene Materialien wie Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt usw., die mit einem kontinuierlichen Ultraschall-Delaminierungsverfahren effizient zurückgewonnen werden können. Ultraschallprozessoren, die mit einer Sonde (Sonotrode) ausgestattet sind, können starke Amplituden erzeugen. Die Amplitude überträgt Ultraschallwellen in das flüssige Medium (z. B. ein Lösungsmittelbad), wo durch abwechselnde Hoch- und Niederdruckzyklen winzige Vakuumblasen entstehen. Diese Vakuumbläschen wachsen über einige Zyklen hinweg, bis sie eine Größe erreichen, bei der sie keine weitere Energie mehr aufnehmen können. An diesem Punkt implodieren die Blasen gewaltsam. Die Blasenimplosion erzeugt lokal eine hoch energiereiche Umgebung mit Flüssigkeitsstrahlen von bis zu 280m/s Geschwindigkeit, intensiven Turbulenzen, sehr hohen Temperaturen (ca. 5.000K), Drücken (ca. 2.000atm) und entsprechenden Temperatur- und Druckunterschieden.
Dieses Phänomen der ultraschallinduzierten Blasenimplosion wird als akustische Kavitation bezeichnet. Durch die Auswirkungen der akustischen Kavitation wird der Verbundfilm des aktiven Materials vom Folienstromabnehmer entfernt, der beidseitig mit dem Verbundfilm beschichtet ist. Das aktive Material enthält meist eine Mischung aus Lithium-Mangan-Oxid (LMO) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (LiNiMnCoO2 oder NMC) sowie Ruß als leitendes Additiv.
Der Mechanismus der Ultraschall-Delamination beruht auf physikalischen Kräften, die in der Lage sind, molekulare Bindungen aufzubrechen. Aufgrund der Intensität des Leistungs-Ultraschalls reichen oft mildere Lösungsmittel aus, um die Schichten des aktiven Materials von der Folie oder dem Stromabnehmer zu entfernen. Dadurch ist das Ultraschall-Delaminieren von Elektroden schneller, umweltfreundlicher und deutlich weniger energieintensiv.

Rasterelektronenmikroskopische (REM) Bilder, die die morphologischen Veränderungen des aktiven Elektrodenmaterials nach der Delaminierung durch Ultraschall zeigen. Alle Bilder wurden mit einer 5000-fachen Vergrößerung und 10 kV Anregungsenergie aufgenommen. a) Kathodenmaterial vor der Delaminierung, b) delaminiertes aktives Kathodenmaterial, c) Anodenmaterial vor der Delaminierung und d) delaminiertes Anodenmaterial.
(Studie und Bilder: Lei et al., 2021)

Batteriezerkleinerung vs. Elektrodenabtrennung

Für die Rückgewinnung des aktiven Materials werden entweder wässrige oder organische Lösungsmittel verwendet, um die Metallfolie, das Polymerbindemittel und/oder das aktive Material aufzulösen. Die Prozessgestaltung und der Prozessablauf beeinflussen das Endergebnis der Materialrückgewinnung erheblich. Beim herkömmlichen Batterierecycling werden die Batteriemodule zerkleinert. Die geschredderten Komponenten lassen sich jedoch nur schwer in einzelne Bestandteile trennen. Es ist eine komplexe Verarbeitung erforderlich, um aktives/wertvolles Material aus der geschredderten Masse zu gewinnen. Um die zurückgewonnenen aktiven Materialien wiederverwenden zu können, ist ein gewisser Reinheitsgrad erforderlich. Die Gewinnung hochreiner Materialien aus geschredderter Batteriemasse erfordert komplexe Verfahren, scharfe Lösungsmittel und ist daher teuer. Die Ultraschalllaugung wird erfolgreich eingesetzt, um die Ergebnisse der Rückgewinnung aktiver Materialien aus geschredderten Lithium-Ionen-Batterien zu intensivieren und zu verbessern.
Als Alternative zum herkömmlichen Schreddern hat sich die Elektrodenseparation als wirksames Batterierecyclingverfahren erwiesen, das die Reinheit der gewonnenen Materialien erheblich verbessern kann. Bei der Elektrodenseparation wird die Batterie in ihre Hauptbestandteile zerlegt. Da die Elektroden den größten Anteil an wertvollem Material enthalten, wird die Elektrode abgetrennt und chemisch behandelt, um die aktiven Materialien (Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt ...) aus der beschichteten Folie oder dem Stromabnehmer herauszulösen. Die Ultraschallbehandlung ist bekannt für ihre intensiven Effekte, die durch akustische Kavitation verursacht werden. Die sonomechanischen Kräfte bringen genügend Schwingungen und Scherkräfte auf, um die auf der Folie geschichteten aktiven Materialien zu entfernen (der Aufbau einer beschichteten Folie ähnelt einem Sandwich, mit der Folie in der Mitte und der aktiven Materialschicht auf der Außenseite).
Die Elektrodenabscheidung wäre in Verbindung mit der autonomen Demontage eine praktikablere Option als das Schreddern, was reinere Abfallströme und einen größeren Werterhalt in der Versorgung ermöglichen würde.

Ultraschall-Sonotroden für Elektroden-Delamination

Spezielle Sonotroden, die die erforderliche Amplitude liefern, um die aktiven Materialien von der Elektrodenfolie zu entfernen, sind ohne weiteres erhältlich. Da die Intensität der akustischen Kavitation mit zunehmendem Abstand zwischen Sonotrode und Elektrode abnimmt, ist ein gleichmäßiger Abstand zwischen Sonotrode und Elektrode günstig. Das bedeutet, dass die Elektrodenfolie dicht unter die Sonotrodenspitze gebracht werden sollte, wo die Druckwellen stark sind und die Kavitationsdichte hoch ist. Mit speziellen Sonotroden, die eine größere Breite als der zylindrische Standard-Ultraschallkopf aufweisen, bietet Hielscher Ultrasonics eine effiziente Lösung für die gleichmäßige Ablösung von Elektrodenblechen aus Elektrofahrzeugen. So haben Elektroden, die in Batterien für Elektrofahrzeuge (EV) mit Pouch-Zellen verwendet werden, typischerweise eine Breite von ca. 20 cm. Eine Sonotrode mit der gleichen Breite überträgt die akustische Kavitation gleichmäßig auf die gesamte Elektrodenoberfläche. Dadurch werden innerhalb von Sekunden die Schichten des aktiven Materials in das Lösungsmittel gelöst und können extrahiert und zu Pulver gereinigt werden. Dieses Pulver kann für die Herstellung neuer Batterien wiederverwendet werden.
Das Forscherteam der britischen Faraday Institution berichtet, dass die Entfernung der aktiven Materialschichten von der LIB-Elektrode in weniger als 10 s abgeschlossen werden kann, wenn sich die Elektrode direkt unter einer Hochleistungssonotrode (1000 bis 2000 W, z. B. UIP1000hdT oder UIP2000hdT). Bei der Ultraschallbehandlung werden die Klebeverbindungen zwischen den aktiven Materialien und den Stromabnehmern aufgebrochen, so dass in einem anschließenden Reinigungsschritt ein intakter Stromabnehmer und pulverförmiges aktives Material gewonnen werden kann.

Bilder, die die Wirkung von Ultraschall auf die Rückseite von: a) Lithium-Ionen-Batterie-Anodenfolie und b) Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenfolie zeigen. Die Anode wurde in einer Lösung von 0,05 M Zitronensäure delaminiert; die Kathode wurde in einer Lösung von 0,1 M NaOH delaminiert. Die Sonotrode hatte einen Durchmesser von 20 mm, und die Leistungsintensität von 120 W/cm2 wurde 3 Sekunden lang in einem Abstand von 2,5 mm von der Sonotrode angelegt. Die Probengröße betrug 3 cm x 3 cm.
(Studie und Bilder: Lei et al., 2021)

Ultraschallgeräte für Elektroden-Delamination

Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschallprozessoren, die im 20-kHz-Bereich arbeiten. Hielscher Ultrasonics‘ Industrie-Ultraschallgeräte sind Hochleistungs-Ultraschallprozessoren, die sehr hohe Amplituden für anspruchsvolle Anwendungen liefern können. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Für den kontinuierlichen Delaminationsprozess von Elektroden bietet Hielscher eine Reihe von Standard- und kundenspezifischen Sonotroden an. Die Sonotrodengröße kann an die Größe und Breite des Elektrodenmaterials angepasst werden, um optimale Prozessbedingungen für einen hohen Durchsatz und eine hervorragende Rückgewinnung zu erzielen.

Literatur / Literaturhinweise