Reciclaje de electrodos – Alta eficiencia mediante delaminación ultrasónica

La delaminación ultrasónica de electrodos permite recuperar materiales activos como litio, níquel, manganeso, cobalto, etc., en cuestión de segundos. Así, la delaminación ultrasónica de electrodos hace que la recuperación de materiales reutilizables de las baterías sea más rápida, ecológica y consuma considerablemente menos 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 delaminación de electrodos asistida por ultrasonidos ofrece un método rápido, eficiente y sostenible para recuperar los materiales activos y la lámina. Estas partes del electrodo son materiales valiosos que pueden reutilizarse para fabricar nuevas baterías. La delaminación ultrasónica no solo es considerablemente más eficiente desde el punto de vista energético que los procesos de reciclaje hidrometalúrgicos y pirometalúrgicos, sino que también permite obtener materiales de mayor pureza.

Reciclaje de baterías: separación y delaminación de electrodos

El reciclaje de baterías de iones de litio (LIB) tiene como objetivo recuperar materiales valiosos. Los electrodos contienen materiales preciosos y escasos como litio, níquel, manganeso, cobalto, etc., que pueden recuperarse de manera eficiente mediante un proceso continuo de delaminación ultrasónica. Los procesadores ultrasónicos equipados con una sonda (sonotrodo) pueden generar grandes amplitudes. La amplitud transmite ondas ultrasónicas al medio líquido (p. ej., un baño de disolvente), donde los ciclos alternos de alta presión / baja presión originan diminutas burbujas de vacío. Estas burbujas de vacío crecen durante varios ciclos hasta alcanzar un tamaño a partir del cual ya no pueden absorber más energía. En ese momento, las burbujas implosionan violentamente. La implosión de las burbujas genera localmente un entorno de muy alta densidad energética, con chorros de líquido que alcanzan velocidades de hasta 280 m/s, turbulencias intensas, temperaturas muy elevadas (aprox. 5.000K), presiones muy elevadas (aprox. 2.000atm) y los correspondientes diferenciales de temperatura y presión.
Este fenómeno de implosión de burbujas inducida por ultrasonidos se conoce como cavitación acústica. Los efectos de la cavitación acústica desprenden la película compuesta de material activo de la lámina colectora de corriente, recubierta por ambas caras con dicha película compuesta. El material activo contiene principalmente una mezcla de óxido de litio y manganeso (LMO) y óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (LiNiMnCoO2 o NMC) en polvo, así como negro de carbono como aditivo conductor.
El mecanismo de la delaminación ultrasónica se basa en fuerzas físicas capaces de romper enlaces moleculares. Debido a la intensidad de los ultrasonidos de potencia, a menudo basta con utilizar disolventes menos agresivos para retirar las capas de material activo de la lámina o del colector de corriente. Así, la delaminación ultrasónica de electrodos es más rápida, respetuosa con el medio ambiente y consume considerablemente 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 recuperar el material activo se utilizan disolventes acuosos u orgánicos que disuelven la lámina metálica, el aglutinante polimérico y/o el material activo. El diseño y el flujo del proceso influyen considerablemente en el resultado final de la recuperación de materiales. El proceso tradicional de reciclaje de baterías incluye la trituración de los módulos de batería. Sin embargo, resulta difícil separar el material triturado en sus componentes individuales. Se requiere un procesamiento complejo para obtener material activo/valioso de la masa triturada. Para reutilizar los materiales activos recuperados, se necesita un cierto grado de pureza. Recuperar materiales de alta pureza de la masa de baterías trituradas implica procesos complejos y disolventes agresivos, por lo que resulta costoso. La lixiviación ultrasónica se utiliza con éxito para intensificar y mejorar los resultados de la recuperación de materiales activos de baterías de iones de litio trituradas.
Como alternativa a la trituración tradicional, la separación de electrodos ha demostrado ser un proceso eficaz de reciclaje de baterías que puede mejorar considerablemente la pureza de los materiales obtenidos. En el proceso de separación de electrodos, la batería se desmonta en sus componentes principales. Como los electrodos contienen la mayor proporción de material valioso, el electrodo se separa y se trata químicamente para disolver los materiales activos (litio, níquel, manganeso, cobalto …) de la lámina recubierta o del colector de corriente. La sonicación es bien conocida por sus intensos efectos causados por la cavitación acústica. Las fuerzas sonomecánicas aplican suficiente oscilación y cizallamiento para retirar los materiales activos depositados en capas sobre la lámina. (La estructura de una lámina recubierta es similar a la de un sándwich, con la lámina en el centro y la capa de material activo formando la superficie exterior.)
La separación de electrodos sería una opción más viable que la trituración si se utilizara junto con el desmontaje autónomo, al permitir flujos de residuos más puros y una mayor retención del valor en el suministro

Sonotrodos ultrasónicos para la delaminación de electrodos

Se dispone de sonotrodos especiales que proporcionan la amplitud necesaria para retirar los materiales activos de la lámina del electrodo. Como la intensidad de la cavitación acústica disminuye al aumentar la distancia entre el sonotrodo y el electrodo, conviene mantener una distancia uniforme entre ambos en todo momento. Esto significa que la lámina del electrodo debe desplazarse muy cerca de la punta del sonotrodo, por debajo de ella, donde las ondas de presión son fuertes y la densidad de cavitación es elevada. Con sonotrodos especiales de mayor anchura que la sonda ultrasónica cilíndrica estándar, Hielscher Ultrasonics ofrece una solución eficiente para la delaminación uniforme de láminas de electrodos de vehículos eléctricos. Por ejemplo, los electrodos utilizados en las baterías de celdas de tipo bolsa de los vehículos eléctricos (EV) suelen tener una anchura de aprox. 20 cm. Un sonotrodo de la misma anchura transmite la cavitación acústica de manera uniforme por toda la superficie del electrodo. Así, en cuestión de segundos, las capas de material activo se liberan en el disolvente y pueden extraerse y purificarse para obtener un polvo. Este polvo puede reutilizarse para producir nuevas baterías.
El equipo de investigación de la Faraday Institution del Reino Unido informa de que la retirada de las capas de material activo de un electrodo de LIB puede completarse en menos de 10 s cuando el electrodo se sitúa directamente debajo de un sonotrodo de alta potencia (1000 a 2000 W, p. ej. UIP1000hdT o UIP2000hdT). Durante el tratamiento ultrasónico se rompen los enlaces adhesivos entre los materiales activos y los colectores de corriente, de modo que, en una etapa posterior de purificación, pueden recuperarse un colector de corriente intacto y material activo en polvo.

Imágenes que muestran el efecto de los ultrasonidos sobre la cara posterior de: a) una lámina de ánodo de batería de iones de litio y b) una lámina de cátodo de 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 un diámetro de 20 mm, con una intensidad de potencia de 120 W/cm2 aplicada durante 3 segundos, a una distancia de 2,5 mm del sonotrodo. El tamaño de la muestra era de 3 cm x 3 cm.
(estudio e imágenes: Lei et al., 2021)

Sonicadores para la delaminación de electrodos

Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye procesadores ultrasónicos de alto rendimiento que trabajan en el rango de 20 kHz. Los sonicadores industriales de Hielscher Ultrasonics son procesadores de ultrasonidos de alta potencia capaces de proporcionar amplitudes muy elevadas para aplicaciones exigentes. Pueden mantener fácilmente amplitudes de hasta 200 µm 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 tanto estándar como personalizados. El tamaño del sonotrodo puede adaptarse al tamaño y a la anchura del material del electrodo, buscando así condiciones óptimas de proceso para una alta capacidad de procesamiento y una recuperación superior.

Bibliografía / Referencias

• 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.