بازیافت الکترود – بسیار کارآمد با لایه لایه سازی اولتراسونیک

لایه لایه شدن اولتراسونیک الکترودها اجازه می دهد تا مواد فعال مانند لیتیوم، نیکل، منگنز، کبالت و غیره را در عرض چند ثانیه بازیابی کنید. در نتیجه، لایه لایه شدن الکترود اولتراسونیک باعث می شود بازیابی مواد قابل استفاده مجدد از باتری ها سریعتر، سبز و به طور قابل توجهی کمتر انرژی گیر باشد. تحقیقات در حال حاضر ثابت کرده است که لایه لایه سازی اولتراسونیک می تواند 100 برابر سریعتر از تکنیک های بازیافت معمولی باشد.

سونوگرافی قدرت بازیابی مواد فعال از الکترودها را بهبود می بخشد

لایه لایه شدن الکترودهای التراسونیک ارائه می دهد سریع, کارآمد, و رویکرد پایدار بازیابی مواد فعال و فویل. این قطعات الکترود مواد ارزشمندی هستند که می توانند برای ساخت باتری های جدید مورد استفاده مجدد قرار گیرند. لایه لایه شدن مافوق صوت است که نه تنها به طور قابل توجهی به طور قابل توجهی از انرژی کارآمدتر از فرآیندهای بازیافت هیدرومتالورژی و پیرومتالورژی، آنها همچنین در مواد با خلوص بالاتر عملکرد.

بازیافت باتری: جداسازی الکترود و لایه لایه شدن

بازیافت باتری لیتیوم یونی (LIB) با هدف بازیابی مواد ارزشمند انجام می شود. الکترودها حاوی مواد گرانبها و کمیاب مانند لیتیوم، نیکل، منگنز، کبالت و غیره هستند که می توانند با استفاده از یک فرآیند لایه لایه شدن اولتراسونیک مداوم به طور موثر بازیابی شوند. پردازنده های اولتراسونیک مجهز به پروب (sonotrode) می توانند دامنه های شدیدی ایجاد کنند. دامنه امواج اولتراسوند را به محیط مایع (به عنوان مثال، حمام حلال) منتقل می کند، جایی که به دلیل چرخه های متناوب فشار بالا / فشار کم، حباب های خلاء دقیقه ای ایجاد می شوند. این حباب های خلاء در طی چند چرخه رشد می کنند ، تا زمانی که به اندازه ای برسند که در آن نمی توانند انرژی بیشتری جذب کنند. در این مرحله، حباب ها به شدت منفجر می شوند. انفجار حباب به صورت محلی یک محیط بسیار متراکم انرژی با جت های مایع تا سرعت 280 متر بر ثانیه، تلاطم های شدید، دمای بسیار بالا (تقریبا 5000 کلوین)، فشار (تقریبا 2000 اتمسفر) و بر این اساس اختلاف دما و فشار ایجاد می کند.
این پدیده انفجار حباب ناشی از اولتراسونیک به نام کاویتاسیون صوتی شناخته شده است. اثرات کاویتاسیون آکوستیک فیلم کامپوزیت مواد فعال را از جمع کننده جریان فویل حذف می کند که از دو طرف با فیلم کامپوزیت پوشانده شده است. مواد فعال عمدتا حاوی مخلوطی از اکسید منگنز لیتیوم (LMO) و پودر اکسید کبالت لیتیوم نیکل منگنز (LiNiMnCoO2 یا NMC) و همچنین کربن سیاه به عنوان افزودنی رسانا است.
مکانیسم لایه لایه شدن اولتراسونیک بر اساس نیروهای فیزیکی است که قادر به شکستن پیوندهای مولکولی هستند. با توجه به شدت سونوگرافی قدرت، اغلب حلال های خفیف تر برای حذف لایه های مواد فعال از فویل یا جمع کننده جریان کافی هستند. در نتیجه، لایه لایه شدن اولتراسونیک الکترود سریعتر، سازگار با محیط زیست و به طور قابل توجهی کمتر انرژی گیر است.

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) تصاویر نشان دادن تغییرات مورفولوژیکی در مواد فعال الکترود بر اساس لایه لایه شدن اولتراسونیک. تمام تصاویر با بزرگنمایی 5000 برابر و انرژی تحریک 10 کیلو ولت گرفته شده اند. الف) مواد کاتدی قبل از لایه لایه شدن، ب) مواد فعال کاتد لایه نشده، ج) مواد آند قبل از لایه لایه شدن و د) مواد آند لایه نما.
(مطالعه و تصاویر: لی و همکاران، 2021)

خرد کردن باتری در مقابل جداسازی الکترود

برای بازیابی مواد فعال از حلال های آبی یا آلی برای حل کردن فویل فلزی، چسب پلیمری و/یا مواد فعال استفاده می شود. طراحی فرآیند و جریان به طور قابل توجهی بر نتیجه نهایی بازیابی مواد تأثیر می گذارد. فرآیند بازیافت باتری سنتی شامل خرد کردن ماژول های باتری است. با این حال، جداسازی اجزای خرد شده به اجزای جداگانه دشوار است. برای به دست آوردن مواد فعال/ارزشمند از توده خرد شده نیاز به پردازش پیچیده دارد. به منظور استفاده مجدد از مواد فعال بازیابی شده، درجه خاصی از خلوص مورد نیاز است. بازیابی مواد بسیار خالص از فله باتری خرد شده شامل فرآیندهای پیچیده، حلال های خشن است و بنابراین گران است. شستشوی اولتراسونیک با موفقیت برای تشدید و افزایش نتایج بازیابی مواد فعال از باتری های لیتیوم یون خرد شده استفاده می شود.
به عنوان یک فرآیند جایگزین برای خرد کردن سنتی، جداسازی الکترود به عنوان فرآیند بازیافت باتری کارآمد نشان داده شده است که می تواند خلوص مواد به دست آمده را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. برای فرآیند جداسازی الکترود، باتری به اجزای اصلی آن جدا می شود. از آنجا که الکترودها حاوی بیشترین سهم از مواد ارزشمند هستند ، الکترود جدا شده و از نظر شیمیایی تصفیه می شود تا مواد فعال (لیتیوم ، نیکل ، منگنز ، کبالت ...) از فویل پوشش داده شده یا جمع کننده جریان حل شود. امواج فراصوت به خوبی برای اثرات شدید آن ناشی از حفره صوتی شناخته شده است. نیروهای سونومکانیکی نوسان و برش کافی را برای حذف مواد فعال که روی فویل لایه بندی شده اند، اعمال می کنند. (ساختار یک فویل پوشش داده شده شبیه به ساندویچ است، فویل در مرکز و لایه مواد فعال سطح بیرونی را ساخته است.)
جداسازی الکترود، زمانی که همراه با جداسازی قطعات خودمختار استفاده می شود، گزینه مناسب تری نسبت به خرد کردن است، که امکان جریان زباله خالص تر و حفظ ارزش بیشتر در منبع را فراهم می کند

Sonotrodes التراسونیک برای لایه لایه شدن الکترود

سونوترودهای ویژه ای که دامنه مورد نیاز را برای حذف مواد فعال از فویل الکترود ارائه می دهند، به راحتی در دسترس هستند. به عنوان شدت حفره صوتی کاهش می یابد با افزایش فاصله بین sonotrode و الکترود, فاصله یکنواخت به طور مداوم بین sonotrode و الکترود مطلوب است. این بدان معناست که ورق الکترود باید از نزدیک در زیر نوک سونوترود حرکت کرد، جایی که امواج فشار قوی هستند و چگالی کاویتاسیون زیاد است. با sonotrodes ویژه ارائه عرض وسیع تر از پروب مافوق صوت استوانه ای استاندارد، Hielscher مافوق صوت ارائه می دهد یک راه حل کارآمد برای لایه لایه شدن یکنواخت از ورق الکترود از وسایل نقلیه الکتریکی. به عنوان مثال، الکترودهای مورد استفاده در باتری های خودروهای الکتریکی سلول کیسه ای (EV) معمولا دارای عرض تقریبا 20 سانتی متر هستند. یک سونوترود با همان عرض کاویتاسیون صوتی را به طور یکنواخت در کل سطح الکترود منتقل می کند. بدین ترتیب، در عرض چند ثانیه، لایه های مواد فعال در حلال آزاد می شوند و می توان آنها را استخراج و به پودر تبدیل کرد. این پودر را می توان برای تولید باتری های جدید مجددا استفاده کرد.
تیم تحقیقاتی موسسه فارادی انگلستان گزارش می دهد که حذف لایه های مواد فعال از الکترود LIB را می توان در کمتر از 10 ثانیه تکمیل کرد، زمانی که الکترود مستقیما در زیر یک سونوترود با قدرت بالا قرار گیرد (به عنوان مثال، 1000 تا 2000 وات. UIP1000hdT یا UIP2000hdT). در طول درمان اولتراسونیک، پیوندهای چسبنده بین مواد فعال و کلکتورهای فعلی شکسته می شوند، به طوری که در مرحله تصفیه بعدی، یک جمع کننده جریان دست نخورده و مواد فعال پودری را می توان بازیابی کرد.

تصاویری که اثر سونوگرافی را در قسمت پشتی نشان می دهد: الف) ورق آند باتری لیتیوم یون و ب) ورق کاتد باتری لیتیوم یون. آند در محلول اسید سیتریک 0.05 مولار لایه لایه شد. کاتد در محلول 0.1 M NaOH از لایه لایه خارج شد. sonotrode بود 20 میلی متر در قطر, با 120 W / cm2 شدت قدرت اعمال شده به مدت 3 ثانیه, در 2.5 میلی متر دور از sonotrode. حجم نمونه 3 × 3 سانتی متر بود.
(مطالعه و تصاویر: لی و همکاران، 2021)

اولتراسونیک برای الکترود لایه برداری

Hielscher Ultrasonics طراحی، تولید و توزیع پردازنده های مافوق صوت با کارایی بالا، که در محدوده 20kHz کار می کنند. Hielscher اولتراسونیک’ مافوق صوت صنعتی پردازنده های اولتراسوند با قدرت بالا است که می تواند دامنه بسیار بالا برای برنامه های کاربردی خواستار ارائه. دامنه های تا 200 میکرومتر را می توان به راحتی به طور مداوم در عملیات 24/7 اجرا کرد. برای دامنه های حتی بالاتر ، سونوترودهای اولتراسونیک سفارشی در دسترس هستند. برای فرایند لایه لایه شدن مداوم الکترودها ، Hielscher طیف وسیعی از sonotrodes استاندارد و همچنین سفارشی را ارائه می دهد. اندازه سونوترود را می توان با اندازه و عرض مواد الکترود تطبیق داد، در نتیجه هدف قرار دادن شرایط فرآیند مطلوب برای توان بالا و بازیابی برتر.

ادبیات / منابع