Reciclaje de electrodos – Alta eficacia en la deslaminación por ultrasonidos

La deslaminación ultrasónica de los electrodos permite recuperar materiales activos como el litio, el níquel, el manganeso, el cobalto, etc. en cuestión de segundos. De este modo, la delaminación ultrasónica de los electrodos hace que la recuperación de los materiales reutilizables de las baterías sea más rápida, ecológica y con un consumo de energía significativamente menor. Las investigaciones ya han demostrado que la delaminación por ultrasonidos puede ser 100 veces más rápida que las técnicas de reciclaje convencionales.

Los ultrasonidos de potencia mejoran la recuperación de los 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.

Ventajas de la deslaminación de electrodos por ultrasonidos

  • Rápido (se completa en segundos)
  • Fácil de implementar
  • Adaptable a los tamaños de los electrodos
  • Respetuoso con el medio ambiente
  • Económico
  • seguro
"Ultrasonidos

Delaminación de electrodos por ultrasonidos para el reciclaje de baterías

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Las ondas ultrasónicas de alta potencia se utilizan para recuperar los materiales activos de los electrodos de las baterías. La deslaminación de electrodos por ultrasonidos hace que la recuperación de materiales reutilizables de las baterías sea más rápida, ecológica y con un consumo de energía significativamente menor.

Procesador ultrasónico con sonotrodo para la deslaminación de electrodos. La deslaminación de electrodos por ultrasonidos hace que la recuperación de materiales reutilizables de las baterías sea más rápida, ecológica y con un consumo de energía significativamente menor.

Reciclaje de baterías: Separación y deslaminación de electrodos

El reciclaje de baterías de iones de litio (LIB) tiene como objetivo recuperar materiales valiosos. Los electrodos contienen materiales preciosos y raros como el litio, el níquel, el manganeso, el cobalto, etc., que pueden recuperarse eficazmente mediante un proceso continuo de deslaminación por ultrasonidos. Los procesadores ultrasónicos equipados con una sonda (sonotrodo) pueden crear amplitudes intensas. La amplitud transmite las ondas ultrasónicas al medio líquido (por ejemplo, el 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 algunos ciclos, hasta que alcanzan un tamaño en el que 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, intensas turbulencias, temperaturas muy elevadas (aprox. 5.000K), presiones (aprox. 2.000atm) y, en consecuencia, diferenciales de temperatura y presión.
Este fenómeno de implosión de burbujas inducido por ultrasonidos se conoce como cavitación acústica. Los efectos de la cavitación acústica eliminan la película compuesta de material activo del colector de corriente de lámina, que está recubierto por ambos lados con la película compuesta. El material activo contiene principalmente una mezcla de óxido de litio y manganeso (LMO) y óxido de litio y manganeso y cobalto (LiNiMnCoO2 o NMC) en polvo, así como negro de humo como aditivo conductor.
El mecanismo de deslaminación por ultrasonidos se basa en fuerzas físicas capaces de romper los 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 del colector de corriente. De este modo, la deslaminación ultrasónica del electrodo es más rápida, respetuosa con el medio ambiente y con un consumo de energía significativamente menor.

La ultrasonicación de alta intensidad mejora el proceso de deslaminación de los electrodos de forma significativa y da lugar a materiales activos de alta calidad, que pueden reutilizarse para la producción de nuevas baterías.

Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) que muestran los cambios morfológicos del material activo del electrodo tras la delaminación por ultrasonidos. 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 la 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 baterías implica la trituración de los módulos de la batería. 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 poder reutilizar los materiales activos recuperados, se requiere un cierto grado de pureza. La recuperación de materiales de gran pureza a partir de la masa triturada de la pila implica procesos complejos, disolventes agresivos y, por tanto, es cara. La lixiviación por ultrasonidos se utiliza con éxito para intensificar y mejorar los resultados de la recuperación de materiales activos de las 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 baterías que puede mejorar significativamente la pureza de los materiales obtenidos. Para el proceso de separación de electrodos, la batería se desmonta en sus principales componentes. Dado que los electrodos contienen la mayor parte del material valioso, se separa el electrodo y se trata químicamente para disolver los materiales activos (litio, níquel, manganeso, cobalto...) de la lámina recubierta 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, cuando se utiliza junto con el desmontaje autónomo, lo que permite obtener flujos de residuos más puros y una mayor retención de valor en el suministro

Procesador de ultrasonidos UIP2000hdT (2000 vatios) para la delaminación de electrodos de baterías. La delaminación por ultrasonidos es un método muy eficaz para la recuperación de material activo.

el ultrasonicador UIP2000hdT es un potente procesador de 2000 vatios para la deslaminación de electrodos y hace que el reciclaje de las baterías sea más rápido, eficiente y respetuoso con el medio ambiente.

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Sonotrodos ultrasónicos para la deslaminación 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 las láminas de electrodos de los vehículos eléctricos. Por ejemplo, los electrodos utilizados en las baterías de los vehículos eléctricos (EV) tienen normalmente una anchura de unos 20 cm. Un sonotrodo de la misma anchura transmite la cavitación acústica de manera uniforme 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 ser extraídas y purificadas 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 una etapa posterior de purificación se puede recuperar un colector de corriente intacto y material activo en polvo.

La ultrasonicación rompe los enlaces moleculares y facilita la recuperación de los materiales sctivos durante el reciclaje de las baterías.

Imágenes que muestran el efecto de los ultrasonidos en la cara posterior de: a) la lámina del ánodo de la batería de iones de litio, y b) la lámina del cátodo de la batería de iones de litio. El ánodo se delaminó en una solución de ácido cítrico 0,05 M; el cátodo se delaminó 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 deslaminación de electrodos

Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye procesadores de ultrasonidos de alto rendimiento, que trabajan en el rango de 20kHz. Hielscher Ultrasonics’ Los ultrasonidos industriales son procesadores de ultrasonidos de alta potencia que pueden ofrecer amplitudes muy elevadas para aplicaciones exigentes. Las amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, hay disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados. Para el proceso de delaminación continua 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.

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Literatura / Referencias

La deslaminación por ultrasonidos recupera en segundos los materiales activos de los electrodos gastados.

La imagen muestra una lámina de cobre, de la que se eliminaron las capas de grafito y material activo en un tratamiento ultrasónico de unos pocos segundos. Los componentes recuperados están en una solución de alta pureza y el colector de corriente obtenido es de cobre puro.
(Imagen y estudio: Institución Faraday, Universidad de Birmingham, Universidad de Leicester)


Los homogeneizadores de alto cizallamiento por ultrasonidos se utilizan en el laboratorio, en la mesa de trabajo, en los procesos piloto y en la industria.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonido compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.

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