بازیافت الکترود – کارایی بسیار بالا با لایه‌زدایی فراصوتی

لایه‌زدایی فراصوتی الکترودها امکان بازیابی مواد فعال مانند لیتیوم، نیکل، منگنز، کبالت و غیره را ظرف چند ثانیه فراهم می‌کند. به این ترتیب، لایه‌زدایی فراصوتی الکترود، بازیابی مواد قابل استفادهٔ مجدد از باتری‌ها را سریع‌تر و سازگار با محیط‌زیست می‌کند و نیاز آن به انرژی را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. پژوهش‌ها پیش‌تر ثابت کرده‌اند که لایه‌زدایی فراصوتی می‌تواند 100 برابر سریع‌تر از روش‌های متداول بازیافت باشد.

فراصوت پرتوان، بازیابی مواد فعال از الکترودها را بهبود می‌دهد

لایه‌زدایی الکترودها به کمک فراصوت، رویکردی سریع، کارآمد و پایدار برای بازیابی مواد فعال و فویل ارائه می‌دهد. این بخش‌های الکترود، موادی ارزشمند هستند که می‌توان از آن‌ها برای ساخت باتری‌های جدید دوباره استفاده کرد. لایه‌زدایی فراصوتی نه‌تنها از نظر مصرف انرژی به‌مراتب کارآمدتر از فرایندهای بازیافت هیدرومتالورژی و پیرومتالورژی است، بلکه موادی با خلوص بالاتر نیز به دست می‌دهد.

بازیافت باتری: جداسازی و لایه‌زدایی الکترود

هدف از بازیافت باتری لیتیوم‌یون (LIB)، بازیابی مواد ارزشمند است. الکترودها حاوی مواد گران‌بها و کمیابی مانند لیتیوم، نیکل، منگنز، کبالت و غیره هستند که می‌توان آن‌ها را با استفاده از فرایند پیوستهٔ لایه‌زدایی فراصوتی به‌طور کارآمد بازیابی کرد. پردازشگرهای فراصوتی مجهز به پروب (سونوتْرود) می‌توانند دامنه‌های نوسان بزرگی ایجاد کنند. این دامنهٔ نوسان، امواج فراصوت را به محیط مایع (برای مثال، حمام حلال) منتقل می‌کند؛ در این محیط، چرخه‌های متناوب فشار بالا / فشار پایین باعث تشکیل حباب‌های بسیار ریز خلأ می‌شوند. این حباب‌های خلأ طی چند چرخه رشد می‌کنند تا به اندازه‌ای برسند که دیگر نتوانند انرژی بیشتری جذب کنند. در این مرحله، حباب‌ها به‌شدت به درون فرو می‌پاشند. فروپاشی حباب‌ها به‌صورت موضعی محیطی با چگالی انرژی بسیار بالا ایجاد می‌کند که دارای جت‌های مایع با سرعت تا 280m/s، آشفتگی‌های شدید، دماهای بسیار بالا (حدود 5٬000K)، فشارهای بالا (حدود 2٬000atm) و در نتیجه اختلاف دما و فشار است.
این پدیدهٔ فروپاشی حباب‌ها بر اثر فراصوت، کاویتاسیون آکوستیکی نام دارد. اثرات کاویتاسیون آکوستیکی، فیلم کامپوزیتی مادهٔ فعال را از جمع‌کنندهٔ جریانِ فویلی جدا می‌کنند؛ هر دو طرف این فویل با فیلم کامپوزیتی پوشانده شده است. مادهٔ فعال عمدتاً حاوی مخلوطی از پودر اکسید لیتیوم منگنز (LMO) و اکسید لیتیوم نیکل منگنز کبالت (LiNiMnCoO2 یا NMC)، به‌همراه کربن سیاه به‌عنوان افزودنی رسانا است.
سازوکار لایه‌زدایی فراصوتی بر نیروهای فیزیکی استوار است که قادر به شکستن پیوندهای مولکولی هستند. به‌دلیل شدت فراصوت پرتوان، اغلب حلال‌های ملایم‌تر برای جدا کردن لایه‌های مادهٔ فعال از فویل یا جمع‌کنندهٔ جریان کافی هستند. به این ترتیب، لایه‌زدایی فراصوتی الکترود سریع‌تر و سازگار با محیط‌زیست است و به انرژی بسیار کمتری نیاز دارد.

تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی (SEM) که تغییرات ریخت‌شناختی مادهٔ فعال الکترود را در اثر لایه‌زدایی فراصوتی نشان می‌دهند. تمام تصاویر با بزرگ‌نمایی 5000x و انرژی برانگیزش 10 kV ثبت شده‌اند. a) مادهٔ کاتد پیش از لایه‌زدایی، b) مادهٔ فعال کاتد پس از لایه‌زدایی، c) مادهٔ آند پیش از لایه‌زدایی و d) مادهٔ آند پس از لایه‌زدایی.
(پژوهش و تصاویر: Lei et al., 2021)

خردکردن باتری در مقایسه با جداسازی الکترود

برای بازیابی مادهٔ فعال، از حلال‌های آبی یا آلی برای حل کردن فویل فلزی، چسبانندهٔ پلیمری و/یا مادهٔ فعال استفاده می‌شود. طراحی و جریان فرایند تأثیر چشمگیری بر نتیجهٔ نهایی بازیابی مواد دارند. فرایند سنتی بازیافت باتری شامل خردکردن ماژول‌های باتری است. بااین‌حال، تفکیک مواد خردشده به اجزای مجزا دشوار است. برای به دست آوردن مادهٔ فعال/ارزشمند از تودهٔ خردشده، پردازش پیچیده‌ای لازم است. برای استفادهٔ مجدد از مواد فعال بازیابی‌شده، درجهٔ مشخصی از خلوص مورد نیاز است. بازیابی مواد با خلوص بالا از تودهٔ باتری خردشده مستلزم فرایندهای پیچیده و حلال‌های قوی است و بنابراین هزینهٔ بالایی دارد. لیچینگ فراصوتی با موفقیت برای تشدید فرایند و بهبود نتایج بازیابی مادهٔ فعال از باتری‌های لیتیوم‌یون خردشده به کار می‌رود.
جداسازی الکترود، به‌عنوان فرایندی جایگزین برای خردکردن سنتی، روشی مؤثر برای بازیافت باتری شناخته شده است که می‌تواند خلوص مواد حاصل را به‌طور چشمگیری افزایش دهد. در فرایند جداسازی الکترود، باتری به اجزای اصلی خود باز می‌شود. ازآنجاکه الکترودها بیشترین سهم مواد ارزشمند را در خود دارند، الکترود جدا شده و تحت تیمار شیمیایی قرار می‌گیرد تا مواد فعال (لیتیوم، نیکل، منگنز، کبالت …) از فویل پوشش‌دار یا جمع‌کنندهٔ جریان حل و جدا شوند. فراصوت‌دهی به‌خاطر اثرات شدید ناشی از کاویتاسیون آکوستیکی شناخته شده است. نیروهای مکانیکی ناشی از صوت، نوسان و برش کافی برای جدا کردن مواد فعالی را که به‌صورت لایه روی فویل قرار گرفته‌اند، اعمال می‌کنند. (ساختار فویل پوشش‌دار شبیه ساندویچ است؛ فویل در مرکز قرار دارد و لایهٔ مادهٔ فعال سطح بیرونی را تشکیل می‌دهد.)
جداسازی الکترود، هنگامی که همراه با بازکردن خودمختار باتری به کار رود، گزینه‌ای عملی‌تر از خردکردن خواهد بود و جریان‌های پسماند خالص‌تر و حفظ ارزش بیشتر در تأمین را امکان‌پذیر می‌کند

سونوتْرودهای فراصوتی برای لایه‌زدایی الکترود

سونوتْرودهای ویژه‌ای که دامنهٔ نوسان لازم برای جدا کردن مواد فعال از فویل الکترود را تأمین می‌کنند، به‌راحتی در دسترس هستند. ازآنجاکه شدت کاویتاسیون آکوستیکی با افزایش فاصلهٔ بین سونوتْرود و الکترود کاهش می‌یابد، بهتر است فاصلهٔ بین آن‌ها همواره ثابت و یکنواخت بماند. این بدان معناست که ورق الکترود باید با فاصله‌ای کم از زیر نوک سونوتْرود حرکت داده شود؛ جایی که امواج فشار قوی و تراکم کاویتاسیون بالا است. Hielscher Ultrasonics با ارائهٔ سونوتْرودهای ویژه‌ای که پهنای بیشتری نسبت به پروب فراصوتی استوانه‌ای استاندارد دارند، راهکاری کارآمد برای لایه‌زدایی یکنواخت ورق‌های الکترود خودروهای برقی ارائه می‌کند. برای مثال، الکترودهای مورد استفاده در باتری‌های سلول پاکتی خودروهای برقی (EV) معمولاً پهنایی در حدود 20 cm دارند. سونوتْرودی با همین پهنا، کاویتاسیون آکوستیکی را به‌طور یکنواخت به تمام سطح الکترود منتقل می‌کند. به این ترتیب، لایه‌های مادهٔ فعال ظرف چند ثانیه در حلال آزاد می‌شوند و می‌توان آن‌ها را استخراج و خالص‌سازی کرد و به‌صورت پودر به دست آورد. از این پودر می‌توان برای تولید باتری‌های جدید دوباره استفاده کرد.
تیم پژوهشی Faraday Institution بریتانیا گزارش می‌دهد که وقتی الکترود مستقیماً زیر یک سونوتْرود پرتوان قرار گیرد، جداسازی لایه‌های مادهٔ فعال از الکترود LIB می‌تواند در کمتر از 10 s تکمیل شود (1000 تا 2000 W، برای مثال UIP1000hdT یا UIP2000hdT). طی تیمار فراصوتی، پیوندهای چسبندگی بین مواد فعال و جمع‌کننده‌های جریان شکسته می‌شوند، به‌گونه‌ای که در مرحلهٔ خالص‌سازی بعدی می‌توان یک جمع‌کنندهٔ جریان سالم و مادهٔ فعال پودری را بازیابی کرد.

تصاویری که تأثیر فراصوت را بر پشتِ این ورق‌ها نشان می‌دهند: a) ورق آند باتری لیتیوم‌یون و b) ورق کاتد باتری لیتیوم‌یون. آند در محلول اسید سیتریک 0٫05 M لایه‌زدایی شد؛ کاتد در محلول NaOH با غلظت 0٫1 M لایه‌زدایی شد. قطر سونوتْرود 20 mm بود و شدت توان 120 W/cm2 به‌مدت 3 ثانیه، در فاصلهٔ 2٫5 mm از سونوتْرود اعمال شد. ابعاد نمونه 3 cm x 3 cm بود.
(پژوهش و تصاویر: Lei et al., 2021)

دستگاه‌های فراصوت برای لایه‌زدایی الکترود

Hielscher Ultrasonics پردازشگرهای فراصوتی با عملکرد بالا را طراحی، تولید و عرضه می‌کند که در محدودهٔ 20kHz کار می‌کنند. دستگاه‌های فراصوت صنعتی Hielscher Ultrasonics، پردازشگرهای فراصوت پرتوانی هستند که می‌توانند دامنه‌های نوسان بسیار بالایی را برای کاربردهای دشوار تأمین کنند. دامنه‌های نوسان تا 200µm را می‌توان به‌راحتی در کارکرد 24/7 به‌طور پیوسته اعمال کرد. برای دامنه‌های نوسان باز هم بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند. Hielscher برای فرایند پیوستهٔ لایه‌زدایی الکترودها، مجموعه‌ای از سونوتْرودهای استاندارد و سفارشی ارائه می‌کند. ابعاد سونوتْرود را می‌توان با ابعاد و پهنای مادهٔ الکترود تطبیق داد تا شرایط بهینهٔ فرایند برای ظرفیت پردازش بالا و بازیابی بهتر فراهم شود.

منابع علمی / مراجع

• 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.