Ανακύκλωση ηλεκτροδίων – Εξαιρετικά αποτελεσματικό με υπερηχητική αποκόλληση

Η υπερηχητική αποκόλληση ηλεκτροδίων επιτρέπει την ανάκτηση δραστικών υλικών όπως λίθιο, νικέλιο, μαγγάνιο, κοβάλτιο κ.λπ. μέσα σε δευτερόλεπτα. Με αυτόν τον τρόπο, η αποκόλληση ηλεκτροδίων υπερήχων καθιστά την ανάκτηση επαναχρησιμοποιήσιμων υλικών από μπαταρίες ταχύτερη, πράσινη και σημαντικά λιγότερο ενεργοβόρα. Η έρευνα έχει ήδη αποδείξει ότι η αποκόλληση υπερήχων μπορεί να είναι 100 φορές ταχύτερη από τις συμβατικές τεχνικές ανακύκλωσης.

Ο υπέρηχος ισχύος βελτιώνει την ανάκτηση ενεργών υλικών από ηλεκτρόδια

Υπερήχων-αφομοιωμένη αποκόλληση των ηλεκτροδίων προσφέρει μια ταχεία, αποτελεσματική, και βιώσιμη προσέγγιση ανάκτηση ενεργών υλικών και το φύλλο. Αυτά τα μέρη του ηλεκτροδίου είναι πολύτιμα υλικά, τα οποία μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν για την κατασκευή νέων μπαταριών. Υπερήχων αποκόλληση δεν είναι μόνο σημαντικά πιο ενεργειακά αποδοτικό από υδρομεταλλουργικές και πυρομεταλλουργικές διαδικασίες ανακύκλωσης, αποδίδουν επίσης σε υλικά υψηλότερης καθαρότητας.

Ανακύκλωση μπαταριών: Διαχωρισμός ηλεκτροδίων και αποκόλληση

Η ανακύκλωση μπαταριών ιόντων λιθίου (LIB) στοχεύει στην ανάκτηση πολύτιμων υλικών. Τα ηλεκτρόδια περιέχουν πολύτιμα και σπάνια υλικά όπως λίθιο, νικέλιο, μαγγάνιο, κοβάλτιο κ.λπ., τα οποία μπορούν να ανακτηθούν αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας μια συνεχή διαδικασία αποκόλλησης υπερήχων. Υπερήχων επεξεργαστές εξοπλισμένοι με έναν καθετήρα (sonotrode) μπορεί να δημιουργήσει έντονα πλάτη. Το πλάτος μεταδίδει κύματα υπερήχων στο υγρό μέσο (π.χ. λουτρό διαλύτη), όπου λόγω εναλλασσόμενων κύκλων υψηλής πίεσης / χαμηλής πίεσης προκύπτουν μικρές φυσαλίδες κενού. Αυτές οι φυσαλίδες κενού αναπτύσσονται σε μερικούς κύκλους, μέχρι να φτάσουν σε ένα μέγεθος στο οποίο δεν μπορούν να απορροφήσουν περαιτέρω ενέργεια. Σε αυτό το σημείο, οι φυσαλίδες εκρήγνυνται βίαια. Η κατάρρευση φυσαλίδων δημιουργεί τοπικά ένα περιβάλλον υψηλής ενεργειακής πυκνότητας με πίδακες υγρού έως 280m/s ταχύτητας, έντονες αναταράξεις, πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 5.000K), πιέσεις (περίπου 2.000atm) και κατά συνέπεια διαφορές θερμοκρασίας και πίεσης.
Αυτό το φαινόμενο της υπερηχητικά επαγόμενης κατάρρευσης φυσαλίδων είναι γνωστή ακουστική σπηλαίωση. Τα αποτελέσματα της ακουστικής σπηλαίωσης αφαιρούν τη σύνθετη μεμβράνη δραστικού υλικού από τον συλλέκτη ρεύματος αλουμινίου, ο οποίος είναι επικαλυμμένος και στις δύο πλευρές με τη σύνθετη μεμβράνη. Το δραστικό υλικό περιέχει κυρίως ένα μείγμα σκόνης οξειδίου του μαγγανίου λιθίου (LMO) και λιθίου, νικελίου, μαγγανίου, οξειδίου του κοβαλτίου (LiNiMnCoO2 ή NMC), καθώς και αιθάλη ως αγώγιμο πρόσθετο.
Ο μηχανισμός της αποκόλλησης υπερήχων βασίζεται σε φυσικές δυνάμεις, οι οποίες είναι ικανές να σπάσουν μοριακούς δεσμούς. Λόγω της έντασης του υπερήχου, συχνά ηπιότεροι διαλύτες επαρκούν για την απομάκρυνση των στρωμάτων δραστικού υλικού από το φύλλο αλουμινίου ή τον συλλέκτη ρεύματος. Με αυτόν τον τρόπο, η υπερηχητική αποκόλληση του ηλεκτροδίου είναι ταχύτερη, φιλική προς το περιβάλλον και σημαντικά λιγότερο ενεργοβόρα.

Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) που δείχνουν τις μορφολογικές αλλαγές στο ενεργό υλικό του ηλεκτροδίου κατά την αποκόλληση υπερήχων. Όλες οι εικόνες ελήφθησαν σε μεγέθυνση 5000x και ενέργεια διέγερσης 10 kV. α) υλικό καθόδου πριν από την αποκόλληση, β) δραστικό υλικό καθόδου αποκόλλησης, γ) υλικό ανόδου προ-αποκόλληση και δ) αποκολλημένο υλικό ανόδου.
(μελέτη και εικόνες: Lei et al., 2021)

Τεμαχισμός μπαταρίας έναντι διαχωρισμού ηλεκτροδίων

Για την ανάκτηση του δραστικού υλικού χρησιμοποιούνται είτε υδατικοί είτε οργανικοί διαλύτες για τη διάλυση του μεταλλικού φύλλου, του συνδετικού πολυμερούς και/ή του δραστικού υλικού. Ο σχεδιασμός και η ροή της διαδικασίας επηρεάζουν σημαντικά το τελικό αποτέλεσμα της ανάκτησης υλικών. Η παραδοσιακή διαδικασία ανακύκλωσης μπαταριών περιλαμβάνει τον τεμαχισμό των μονάδων μπαταριών. Ωστόσο, τα τεμαχισμένα εξαρτήματα είναι δύσκολο να διαχωριστούν σε μεμονωμένα εξαρτήματα. Απαιτεί πολύπλοκη επεξεργασία προκειμένου να ληφθεί ενεργό / πολύτιμο υλικό από την τεμαχισμένη μάζα. Προκειμένου να επαναχρησιμοποιηθούν τα ανακτηθέντα δραστικά υλικά, απαιτείται ένας ορισμένος βαθμός καθαρότητας. Η ανάκτηση εξαιρετικά καθαρών υλικών από τεμαχισμένο όγκο μπαταρίας περιλαμβάνει πολύπλοκες διαδικασίες, σκληρούς διαλύτες και επομένως είναι δαπανηρή. Υπερήχων έκπλυση χρησιμοποιείται με επιτυχία για να εντείνει και να ενισχύσει τα αποτελέσματα της ανάκτησης ενεργού υλικού από τεμαχισμένες μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Ως εναλλακτική διαδικασία στον παραδοσιακό τεμαχισμό, ο διαχωρισμός ηλεκτροδίων έχει αποδειχθεί ως αποτελεσματική διαδικασία ανακύκλωσης μπαταριών που μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την καθαρότητα των υλικών που λαμβάνονται. Για τη διαδικασία διαχωρισμού ηλεκτροδίων, η μπαταρία αποσυναρμολογείται στα κύρια εξαρτήματά της. Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόδια περιέχουν το μεγαλύτερο μερίδιο πολύτιμου υλικού, το ηλεκτρόδιο διαχωρίζεται και επεξεργάζεται χημικά για να διαλύσει τα ενεργά υλικά (λίθιο, νικέλιο, μαγγάνιο, κοβάλτιο ...) από το επικαλυμμένο φύλλο ή τον συλλέκτη ρεύματος. Υπερήχους είναι γνωστό για τις έντονες επιπτώσεις που προκαλούνται από ακουστική σπηλαίωση. Οι ηχομηχανικές δυνάμεις εφαρμόζουν αρκετή ταλάντωση και διάτμηση για να αφαιρέσουν τα ενεργά υλικά, τα οποία στρώνονται πάνω στο φύλλο. (Η δομή ενός επικαλυμμένου φύλλου είναι παρόμοια με ένα σάντουιτς, το φύλλο στο κέντρο και το στρώμα ενεργού υλικού έχτισαν την εξωτερική επιφάνεια.)
Ο διαχωρισμός ηλεκτροδίων θα αποτελούσε μια πιο βιώσιμη επιλογή από τον τεμαχισμό, όταν χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με αυτόνομη αποσυναρμολόγηση, επιτρέποντας καθαρότερες ροές αποβλήτων και μεγαλύτερη διατήρηση αξίας στην παροχή

Υπερήχων Sonotrodes για αποκόλληση ηλεκτροδίων

Ειδικά sonotrodes που παρέχουν το απαιτούμενο πλάτος για την αφαίρεση των ενεργών υλικών από το φύλλο ηλεκτροδίου είναι άμεσα διαθέσιμα. Καθώς η ένταση της ακουστικής σπηλαίωσης μειώνεται με την αύξηση της απόστασης μεταξύ sonotrode και ηλεκτροδίου, μια συνεχώς ομοιόμορφη απόσταση μεταξύ sonotrode και ηλεκτροδίου είναι ευνοϊκή. Αυτό σημαίνει ότι το φύλλο ηλεκτροδίων πρέπει να μετακινηθεί κοντά κάτω από την άκρη του sonotrode, όπου τα κύματα πίεσης είναι ισχυρά και η πυκνότητα σπηλαίωσης είναι υψηλή. Με ειδικά sonotrodes προσφέροντας ένα ευρύτερο πλάτος από το πρότυπο κυλινδρικό υπερήχων καθετήρα, Hielscher Υπέρηχοι προσφέρει μια αποτελεσματική λύση για ομοιόμορφη αποκόλληση των φύλλων ηλεκτροδίων από ηλεκτρικά οχήματα. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται στις μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων (EV) έχουν συνήθως πλάτος περίπου 20 cm. Ένα sonotrode του ίδιου πλάτους μεταδίδει ακουστική σπηλαίωση ομοιόμορφα σε ολόκληρη την επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Έτσι, μέσα σε δευτερόλεπτα τα στρώματα του δραστικού υλικού απελευθερώνονται στο διαλύτη και μπορούν να εξαχθούν και να καθαριστούν σε σκόνη. Αυτή η σκόνη μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί για την παραγωγή νέων μπαταριών.
Η ερευνητική ομάδα του Ιδρύματος Faraday του Ηνωμένου Βασιλείου αναφέρει ότι η αφαίρεση των στρωμάτων ενεργού υλικού από το ηλεκτρόδιο LIB μπορεί να ολοκληρωθεί σε λιγότερο από 10 δευτερόλεπτα όταν το ηλεκτρόδιο βρίσκεται ακριβώς κάτω από ένα sonotrode υψηλής ισχύος (1000 έως 2000 W, π.χ. UIP1000hdT ή UIP2000hdT). Κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας με υπερήχους, οι συγκολλητικοί δεσμοί μεταξύ των δραστικών υλικών και των συλλεκτών ρεύματος σπάνε, έτσι ώστε σε ένα επόμενο βήμα καθαρισμού να μπορεί να ανακτηθεί ένας άθικτος συλλέκτης ρεύματος και κονιοποιημένο ενεργό υλικό.

Εικόνες που δείχνουν την επίδραση του υπερήχου στην πίσω πλευρά: α) φύλλο ανόδου μπαταρίας ιόντων λιθίου και β) φύλλο καθόδου μπαταρίας ιόντων λιθίου. Η άνοδος αποκολλήθηκε σε διάλυμα κιτρικού οξέος 0,05 M. η κάθοδος αποκολλήθηκε σε διάλυμα NaOH 0,1 M. Το sonotrode είχε διάμετρο 20 mm, με ένταση ισχύος 120 W/cm2 για 3 δευτερόλεπτα, σε απόσταση 2,5 mm από το sonotrode. Το μέγεθος του δείγματος ήταν 3 cm x 3 cm.
(μελέτη και εικόνες: Lei et al., 2021)

Υπερήχων για αποκόλληση ηλεκτροδίων

Hielscher Υπέρηχοι σχεδιάζει, κατασκευάζει και διανέμει υψηλής απόδοσης υπερήχων επεξεργαστές, τα οποία λειτουργούν στην περιοχή 20kHz. Hielscher Υπέρηχοι’ Οι βιομηχανικοί υπερήχων είναι επεξεργαστές υπερήχων υψηλής ισχύος που μπορούν να προσφέρουν πολύ υψηλά πλάτη για απαιτητικές εφαρμογές. Πλάτη έως 200μm μπορούν εύκολα να λειτουργούν συνεχώς σε 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη, διατίθενται προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes. Για τη συνεχή διαδικασία αποκόλλησης ηλεκτροδίων, Hielscher προσφέρει μια σειρά από τυποποιημένα καθώς και προσαρμοσμένα sonotrodes. Το μέγεθος sonotrode μπορεί να προσαρμοστεί στο μέγεθος και το πλάτος του υλικού του ηλεκτροδίου, στοχεύοντας έτσι στις βέλτιστες συνθήκες διεργασίας για υψηλή απόδοση και ανώτερη ανάκτηση.

Βιβλιογραφία / Αναφορές