Reciclaje de electrodos – Alta eficacia con delaminación ultrasónica

La delaminación ultrasónica de electrodos permite recuperar materiales activos como litio, níquel, manganeso, cobalto, etc. en cuestión de segundos. De este modo, la delaminación ultrasónica de electrodos hace que la recuperación de materiales reutilizables de las pilas sea más rápida, ecológica y mucho menos intensiva en energía. Las investigaciones ya han demostrado que la delaminación ultrasónica puede ser 100 veces más rápida que las técnicas de reciclaje convencionales.

Los ultrasonidos de potencia mejoran la recuperación de materiales activos de los electrodos

La deslaminación de electrodos por ultrasonidos ofrece un método rápido, eficaz y sostenible para recuperar los materiales activos y la lámina. Estas partes del electrodo son materiales valiosos que pueden reutilizarse para la fabricación de nuevas baterías. La deslaminación por ultrasonidos no sólo es mucho más eficiente desde el punto de vista energético que los procesos de reciclaje hidrometalúrgico y pirometalúrgico, sino que también permite obtener materiales de mayor pureza.

Reciclaje de baterías: Separación y delaminación de electrodos

El reciclado de baterías de iones de litio (LIB) tiene como objetivo recuperar materiales valiosos. Los electrodos contienen materiales preciosos y raros, como litio, níquel, manganeso, cobalto, etc., que pueden recuperarse eficazmente mediante un proceso continuo de delaminación por ultrasonidos. Los procesadores ultrasónicos equipados con una sonda (sonotrodo) pueden crear amplitudes intensas. La amplitud transmite ondas ultrasónicas al medio líquido (por ejemplo, un baño de disolvente), donde, debido a la alternancia de ciclos de alta y baja presión, surgen diminutas burbujas de vacío. Estas burbujas de vacío crecen a lo largo de unos cuantos ciclos, hasta que alcanzan un tamaño en el que ya no pueden absorber más energía. En ese momento, las burbujas implosionan violentamente. La implosión de las burbujas genera localmente un entorno de alta densidad energética con chorros de líquido de hasta 280 m/s de velocidad, turbulencias intensas, temperaturas muy elevadas (aprox. 5.000K), presiones (aprox. 2.000atm) y, en consecuencia, diferenciales de temperatura y presión.
Este fenómeno de implosión de burbujas inducida por ultrasonidos se conoce como cavitación acústica. El material activo contiene principalmente una mezcla de óxido de litio manganeso (LMO) y óxido de litio níquel manganeso cobalto (LiNiMnCoO2 o NMC) en polvo, así como negro de carbón como aditivo conductor.
El mecanismo de deslaminación por ultrasonidos se basa en fuerzas físicas capaces de romper enlaces moleculares. Debido a la intensidad de la potencia de los ultrasonidos, a menudo bastan disolventes más suaves para eliminar las capas de material activo de la lámina o el colector de corriente. De este modo, la deslaminación ultrasónica del electrodo es más rápida, respetuosa con el medio ambiente y consume mucha menos energía.

Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) que muestran los cambios morfológicos del material activo del electrodo tras la delaminación ultrasónica. Todas las imágenes se tomaron con un aumento de 5000x y una energía de excitación de 10 kV. a) material del cátodo antes de la delaminación, b) material activo del cátodo delaminado, c) material del ánodo antes de la delaminación y d) material del ánodo delaminado.
(estudio e imágenes: Lei et al., 2021)

Trituración de baterías frente a separación de electrodos

Para la recuperación del material activo se utilizan disolventes acuosos u orgánicos para disolver la lámina metálica, el aglutinante polimérico y/o el material activo. El diseño y el flujo del proceso influyen significativamente en el resultado final de la recuperación del material. El proceso tradicional de reciclaje de pilas implica la trituración de los módulos de las pilas. Sin embargo, los componentes triturados son difíciles de separar en componentes individuales. Se requiere un procesamiento complejo para obtener material activo/valioso de la masa triturada. Para reutilizar los materiales activos recuperados, se requiere un cierto grado de pureza. La recuperación de materiales de gran pureza a partir de la masa de pilas trituradas implica procesos complejos, disolventes agresivos y, por tanto, es costosa. La lixiviación ultrasónica se utiliza con éxito para intensificar y mejorar los resultados de la recuperación de materiales activos a partir de baterías de iones de litio trituradas.
Como proceso alternativo a la trituración tradicional, la separación de electrodos se ha mostrado como un proceso eficaz de reciclaje de pilas que puede mejorar significativamente la pureza de los materiales obtenidos. Para el proceso de separación de electrodos, la batería se desmonta en sus componentes principales. Dado que los electrodos contienen la mayor parte del material valioso, se separan y se tratan químicamente para disolver los materiales activos (litio, níquel, manganeso, cobalto...) de la lámina revestida o del colector de corriente. La ultrasonicación es bien conocida por sus intensos efectos causados por la cavitación acústica. Las fuerzas sonomecánicas aplican suficiente oscilación y cizallamiento para eliminar los materiales activos, que se encuentran en capas sobre la lámina. (La estructura de una lámina recubierta es similar a la de un sándwich, la lámina en el centro y la capa de material activo construida la superficie exterior).
la separación de electrodos sería una opción más viable que la trituración, si se utiliza junto con el desmontaje autónomo, lo que permitiría obtener flujos de residuos más puros y una mayor retención de valor en el suministro

Sonotrodos ultrasónicos para la delaminación de electrodos

Existen sonotrodos especiales que proporcionan la amplitud necesaria para eliminar los materiales activos de la lámina del electrodo. Dado que la intensidad de la cavitación acústica disminuye con el aumento de la distancia entre el sonotrodo y el electrodo, es favorable una distancia continuamente uniforme entre el sonotrodo y el electrodo. Esto significa que la lámina del electrodo debe situarse muy cerca de la punta del sonotrodo, donde las ondas de presión son fuertes y la densidad de cavitación es alta. Con sonotrodos especiales que ofrecen una mayor anchura que la sonda ultrasónica cilíndrica estándar, Hielscher Ultrasonics ofrece una solución eficaz para la deslaminación uniforme de láminas de electrodos de vehículos eléctricos. Por ejemplo, los electrodos utilizados en las baterías de vehículos eléctricos (VE) de pila de bolsa suelen tener una anchura de unos 20 cm. Un sonotrodo de la misma anchura transmite la cavitación acústica uniformemente a toda la superficie del electrodo. De este modo, en cuestión de segundos las capas de material activo se liberan en el disolvente y pueden extraerse y purificarse en polvo. Este polvo puede reutilizarse para la producción de nuevas baterías.
El equipo de investigación de la Institución Faraday del Reino Unido informa de que la eliminación de las capas de material activo del electrodo LIB puede completarse en menos de 10 s cuando el electrodo está situado directamente debajo de un sonotrodo de alta potencia (1000 a 2000 W, por ejemplo. UIP1000hdT o UIP2000hdT). Durante el tratamiento ultrasónico se rompen las uniones adhesivas entre los materiales activos y los colectores de corriente, de modo que en un paso posterior de purificación se puede recuperar un colector de corriente intacto y material activo en polvo.

Imágenes que muestran el efecto de los ultrasonidos en la cara posterior de: a) la lámina del ánodo de una batería de iones de litio, y b) la lámina del cátodo de una batería de iones de litio. El ánodo se deslaminó en una solución de ácido cítrico 0,05 M; el cátodo se deslaminó en una solución de NaOH 0,1 M. El sonotrodo tenía 20 mm de diámetro, con una intensidad de potencia de 120 W/cm2 aplicada durante 3 segundos, a 2,5 mm de distancia del sonotrodo. El tamaño de la muestra era de 3 cm x 3 cm.
(estudio e imágenes: Lei et al., 2021)

Ultrasonidos para la delaminación de electrodos

Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye procesadores ultrasónicos de alto rendimiento, que trabajan en la gama de 20 kHz. Hielscher Ultrasonidos’ Los ultrasonicadores industriales son procesadores de ultrasonidos de alta potencia que pueden suministrar amplitudes muy elevadas para aplicaciones exigentes. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. Para el proceso continuo de delaminación de electrodos, Hielscher ofrece una gama de sonotrodos estándar y personalizados. El tamaño del sonotrodo puede adaptarse al tamaño y la anchura del material del electrodo, con lo que se consiguen unas condiciones de proceso óptimas para un alto rendimiento y una recuperación superior.

Literatura / Referencias