Elektroodide ringlussevõtt – Väga tõhus ultraheli delaminatsiooniga

Elektroodide ultraheli delamineerimine võimaldab mõne sekundi jooksul taastada aktiivseid materjale nagu liitium, nikkel, mangaan, koobalt jne. Seega muudab ultraheli elektroodide delamineerimine patareidest korduvkasutatavate materjalide taaskasutamise kiiremaks, roheliseks ja oluliselt vähem energiamahukaks. Uuringud on juba tõestanud, et ultraheli delamineerimine võib olla 100 korda kiirem kui tavalised ringlussevõtu tehnikad.

Võimsus ultraheli parandab aktiivsete materjalide taastumist elektroodidest

Elektroodide ultraheliga assiteeritud delamineerimine pakub kiiret, tõhusat ja jätkusuutlikku lähenemist aktiivsete materjalide ja fooliumi taaskasutamisele. Need elektroodi osad on väärtuslikud materjalid, mida saab uute patareide tootmiseks uuesti kasutada. Ultraheli delamineerimine ei ole mitte ainult oluliselt energiatõhusam kui hüdrometallurgilised ja pürometallurgilised ringlussevõtuprotsessid, vaid annavad ka kõrgema puhtusastmega materjale.

Aku ringlussevõtt: elektroodide eraldamine ja delamineerimine

Liitiumioonakude (LIB) ringlussevõtu eesmärk on taaskasutada väärtuslikke materjale. Elektroodid sisaldavad väärtuslikke ja haruldasi materjale, nagu liitium, nikkel, mangaan, koobalt jne, mida saab tõhusalt taaskasutada pideva ultraheli delamineerimisprotsessi abil. Sondiga (sonotrode) varustatud ultraheli protsessorid võivad luua intensiivseid amplituudi. Amplituud edastab ultraheli lained vedelasse keskkonda (nt lahustivanni), kus vahelduvate kõrgsurve / madala rõhu tsüklite tõttu tekivad minutilised vaakummullid. Need vaakummullid kasvavad mõne tsükli jooksul, kuni nad saavutavad suuruse, mille juures nad ei suuda täiendavat energiat absorbeerida. Sel hetkel implodeeruvad mullid vägivaldselt. Mullide implosioon tekitab lokaalselt väga energiatiheda keskkonna, kus on vedelikujoad kiirusega kuni 280 m / s, intensiivsed turbulentsi, väga kõrged temperatuurid (umbes 5,000K), rõhud (umbes 2,000atm) ja vastavalt temperatuuri ja rõhu erinevused.
See ultraheli indutseeritud mullide implosiooni nähtus on tuntud akustiline kavitatsioon. Akustilise kavitatsiooni mõjud eemaldavad fooliumvoolukollektorist aktiivse materjali komposiitkile, mis on mõlemalt poolt kaetud komposiitkilega. aktiivne materjal sisaldab peamiselt liitiummangaanoksiidi (LMO) ja liitiumnikkel-mangaan-koobaltoksiidi (LiNiMnCoO2 või NMC) pulbri segu ning juhtiva lisandina tahma.
Ultraheli delaminatsiooni mehhanism põhineb füüsilistel jõududel, mis on võimelised katkestama molekulaarseid sidemeid. Võimsuse-ultraheli intensiivsuse tõttu on sageli kergemad lahustid piisavad, et eemaldada aktiivse materjali kihid fooliumist või voolukollektorist. Seega on elektroodi ultraheli delamineerimine kiirem, keskkonnasõbralik ja oluliselt vähem energiamahukas.

Skaneerivad elektronmikroskoopia (SEM) pildid, mis näitavad elektroodi aktiivse materjali morfoloogilisi muutusi ultraheli delamineerimisel. Kõik pildid on tehtud 5000x suurendusega ja 10 kV ergastusenergiaga. a) katoodimaterjal enne delamineerimist, b) delamineeritud katoodi aktiivmaterjal, c) anoodimaterjal eeldelamineerimine ja d) delamineeritud anoodimaterjal.
(uuring ja pildid: Lei et al., 2021)

Aku purustamine vs elektroodide eraldamine

Aktiivse materjali taaskasutamiseks kasutatakse metallfooliumi, polümeeri sideaine ja/või toimeaine lahustamiseks kas vesilahusteid või orgaanilisi lahusteid. Protsessi ülesehitus ja voog mõjutavad oluliselt materjali taaskasutamise lõpptulemust. Traditsiooniline aku ringlussevõtu protsess hõlmab akumoodulite purustamist. Kuid purustatud komponente on raske eraldada üksikuteks komponentideks. See nõuab keerulist töötlemist, et saada purustatud massist aktiivset / väärtuslikku materjali. Taaskasutatud toimeainete taaskasutamiseks on vaja teatavat puhtusastet. Väga puhaste materjalide hankimine purustatud aku puistest hõlmab keerulisi protsesse, karme lahusteid ja on seetõttu kallis. Ultraheli leostumist kasutatakse edukalt purustatud liitiumioonpatareide aktiivse materjali taaskasutamise tulemuste intensiivistamiseks ja suurendamiseks.
Traditsioonilise purustamise alternatiivina on elektroodide eraldamine osutunud tõhusaks aku ringlussevõtu protsessiks, mis võib oluliselt parandada saadud materjalide puhtust. Elektroodide eraldamise protsessi jaoks demonteeritakse aku selle peamisteks komponentideks. Kuna elektroodid sisaldavad suurimat osa väärtuslikku materjali, eraldatakse elektrood ja töödeldakse keemiliselt, et lahustada aktiivsed materjalid (liitium, nikkel, mangaan, koobalt ...) kaetud fooliumist või voolukollektorist. Ultraheli on tuntud akustilise kavitatsiooni põhjustatud intensiivsete mõjude poolest. Sonomehaanilised jõud rakendavad piisavalt võnkumist ja nihkumist, et eemaldada fooliumile kihilised aktiivsed materjalid. (Kaetud fooliumi struktuur sarnaneb võileivaga, foolium keskel ja aktiivne materjalikiht ehitasid välispinna.)
elektroodide eraldamine oleks elujõulisem variant kui purustamine, kui seda kasutatakse koos autonoomse demonteerimisega, võimaldades puhtamaid jäätmevooge ja suuremat väärtuse säilitamist toiteallikas

Ultraheli Sonotrodes elektroodide delamineerimiseks

Spetsiaalsed sonotroodid, mis annavad vajaliku amplituudi aktiivsete materjalide eemaldamiseks elektroodifooliumist, on kergesti kättesaadavad. Kuna akustilise kavitatsiooni intensiivsus väheneb sonotrode ja elektroodi vahelise kauguse suurenemisega, on sonotrode ja elektroodi vaheline püsivalt ühtlane kaugus soodne. See tähendab, et elektroodilehte tuleks liigutada tihedalt sonotrode otsa all, kus rõhulained on tugevad ja kavitatsioonitihedus on kõrge. Spetsiaalsete sonotroodidega, mis pakuvad laiemat laiust kui tavaline silindriline ultraheli sond, pakub Hielscher Ultrasonics tõhusat lahendust elektrisõidukite elektroodilehtede ühtlaseks delamineerimiseks. Näiteks kottelemendiga elektrisõidukite (EV) akudes kasutatavate elektroodide laius on tavaliselt umbes 20 cm. Sama laiusega sonotrode edastab akustilist kavitatsiooni ühtlaselt kogu elektroodi pinnal. Seega vabanevad aktiivse materjali kihid mõne sekundi jooksul lahustisse ning neid saab ekstraheerida ja puhastada pulbriks. Seda pulbrit saab uuesti kasutada uute patareide tootmiseks.
Ühendkuningriigi Faraday instituudi uurimisrühm teatab, et aktiivsete materjalikihtide eemaldamine LIB-elektroodist saab lõpule viia vähem kui 10 sekundiga, kui elektrood asub otse suure võimsusega sonotrode all (nt 1000–2000 W. UIP1000hdT või UIP2000hdT). Ultraheliravi ajal purunevad aktiivsete materjalide ja voolukollektorite vahelised liimsidemed nii, et järgnevas puhastusetapis saab taaskasutada tervet voolukollektorit ja pulbrilist aktiivset materjali.

Pildid, mis näitavad ultraheli mõju tagaküljele: a) liitiumioonaku anoodileht ja b) liitiumioonaku katoodileht. Anood delamineeriti 0,05 M sidrunhappe lahuses; katood delamineeriti 0,1 M NaOH lahuses. Sonotrode läbimõõt oli 20 mm, võimsuse intensiivsus 120 W/cm2 rakendati 3 sekundiks, sonotrodest 2,5 mm kaugusel. Proovi suurus oli 3 cm x 3 cm.
(uuring ja pildid: Lei et al., 2021)

Ultrasonikaatorid elektroodide delamineerimiseks

Hielscher Ultrasonics projekteerib, toodab ja levitab suure jõudlusega ultraheli protsessoreid, mis töötavad vahemikus 20 kHz. Hielscheri ultraheli’ Tööstuslikud ultrasonikaatorid on suure võimsusega ultraheli protsessorid, mis võivad pakkuda väga kõrgeid amplituudid nõudlike rakenduste jaoks. Amplituudid kuni 200 μm saab hõlpsasti pidevalt käivitada 24/7 operatsioonis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Elektroodide pideva delamineerimisprotsessi jaoks pakub Hielscher erinevaid standardseid ja kohandatud sonotroode. Sonotrode suurust saab kohandada vastavalt elektroodimaterjali suurusele ja laiusele, suunates seeläbi optimaalsed protsessitingimused suure läbilaskevõime ja suurepärase taastumise saavutamiseks.

Kirjandus / Viited