Elektrodin kierrätys – Erittäin tehokas ultraääni delaminaatiolla

Elektrodien ultraääni delaminaatio mahdollistaa aktiivisten materiaalien, kuten litiumin, nikkelin, mangaanin, koboltin jne. Siten ultraäänielektrodi delaminaatio tekee uudelleenkäytettävien materiaalien talteenotosta akuista nopeampaa, vihreää ja huomattavasti vähemmän energiaintensiivistä. Tutkimukset ovat jo osoittaneet, että ultraääni delaminaatio voi olla 100 kertaa nopeampi kuin perinteiset kierrätystekniikat.

Teho ultraääni parantaa aktiivisten materiaalien palautumista elektrodeista

Elektrodien ultraäänellä tuettu delaminaatio tarjoaa nopean, tehokkaan ja kestävän lähestymistavan aktiivisten materiaalien ja kalvon talteenottoon. Nämä elektrodin osat ovat arvokkaita materiaaleja, joita voidaan käyttää uudelleen uusien akkujen valmistukseen. Ultraääni delaminaatio ei ole vain huomattavasti energiatehokkaampaa kuin hydrometallurgiset ja pyrometallurgiset kierrätysprosessit, vaan ne tuottavat myös korkeamman puhtauden materiaaleissa.

Akun kierrätys: Elektrodien erotus ja delaminaatio

Litiumioniakun (LIB) kierrätyksen tavoitteena on palauttaa arvokkaita materiaaleja. Elektrodit sisältävät arvokkaita ja harvinaisia materiaaleja, kuten litiumia, nikkeliä, mangaania, kobolttia jne., Jotka voidaan tehokkaasti ottaa talteen jatkuvalla ultraääni delaminaatioprosessilla. Ultraääniprosessorit, jotka on varustettu anturilla (sonotrode), voivat luoda voimakkaita amplitudeja. Amplitudi välittää ultraääniaallot nestemäiseen väliaineeseen (esim. liuotinkylpy), jossa vuorottelevien korkeapaine- / matalapainesyklien vuoksi syntyy minuutteja tyhjiökuplia. Nämä tyhjiökuplat kasvavat muutaman syklin aikana, kunnes ne saavuttavat koon, jossa ne eivät voi imeä enempää energiaa. Tässä vaiheessa kuplat luhistuvat väkivaltaisesti. Kuplan luhistuminen luo paikallisesti erittäin energiatiheän ympäristön, jossa on jopa 280 m / s nopeus, voimakkaat turbulenssit, erittäin korkeat lämpötilat (noin 5,000K), paineet (noin 2000atm) ja vastaavasti lämpötila- ja paine-erot.
Tämä ilmiö ultraäänellä indusoidusta kuplan luhistumisesta tunnetaan akustisesta kavitaatiosta. Akustisen kavitaation vaikutukset poistavat aktiivisen materiaalin komposiittikalvon foliovirran keräimestä, joka on päällystetty molemmin puolin komposiittikalvolla. aktiivinen materiaali sisältää enimmäkseen litiummangaanioksidin (LMO) ja litium-nikkelimangaanikobolttioksidin (LiNiMnCoO2 tai NMC) jauheen seosta sekä hiilimustaa johtavana lisäaineena.
Ultraääni-delaminaatiomekanismi perustuu fyysisiin voimiin, jotka pystyvät rikkomaan molekyylisidoksia. Teho-ultraäänen voimakkuuden vuoksi usein lievemmät liuottimet riittävät poistamaan aktiivisen materiaalin kerrokset kalvosta tai virrankerääjästä. Siten elektrodin ultraääni delaminaatio on nopeampi, ympäristöystävällinen ja huomattavasti vähemmän energiaintensiivinen.

Skannaavat elektronimikroskopia (SEM) -kuvat, jotka osoittavat morfologiset muutokset elektrodi-aktiiviseen materiaaliin ultraääniharaminaation yhteydessä. Kaikki kuvat otettiin 5000x suurennuksella ja 10 kV: n viritysenergialla. a) katodimateriaalia esiharjaus, b) delaminoitu katodiaktiivinen aines, c) anodimateriaalia esiharjaus ja d) delaminoitu anodimateriaali.
(tutkimus ja kuvat: Lei et ai., 2021)

Akun silppuaminen vs. elektrodien erotus

Aktiivisen materiaalin talteenottoon käytetään joko vesipitoisia tai orgaanisia liuottimia metallifolion, polymeerisideaineen ja/tai aktiivisen materiaalin liuottamiseen. Prosessin suunnittelu ja virtaus vaikuttavat materiaalin talteenoton lopputulokseen merkittävästi. Perinteinen akkujen kierrätysprosessi sisältää akkumoduulien silppuamisen. Silputtuja komponentteja on kuitenkin vaikea erottaa yksittäisiksi komponenteiksi. Se vaatii monimutkaista käsittelyä aktiivisen / arvokkaan materiaalin saamiseksi silputusta massasta. Talteenotettujen aktiivisten materiaalien uudelleenkäyttöön tarvitaan tietty puhtausaste. Erittäin puhtaiden materiaalien hakeminen silputusta akun irtotavarasta sisältää monimutkaisia prosesseja, kovia liuottimia ja on siksi kallista. Ultraäänihuuhtoutumista käytetään menestyksekkäästi tehostamaan ja parantamaan aktiivisen materiaalin palautumisen tuloksia silputuista litiumioniakuista.
Vaihtoehtona perinteiselle silppuamiselle elektrodien erotus on osoitettu tehokkaaksi paristojen kierrätysprosessiksi, joka voi merkittävästi parantaa saatujen materiaalien puhtautta. Elektrodien erotusprosessia varten akku puretaan tärkeimpiin komponentteihinsa. Koska elektrodit sisältävät suurimman osan arvokkaasta materiaalista, elektrodi erotetaan ja käsitellään kemiallisesti aktiivisten materiaalien (litium, nikkeli, mangaani, koboltti ...) liuottamiseksi pinnoitetusta kalvosta tai virrankerääjästä. Ultrasonication on tunnettu akustisen kavitaation aiheuttamista voimakkaista vaikutuksistaan. Sonomekaaniset voimat levittävät tarpeeksi värähtelyä ja leikkausta poistamaan aktiiviset materiaalit, jotka on kerrostettu kalvoon. (Päällystetyn kalvon rakenne on samanlainen kuin voileipä, keskellä oleva folio ja aktiivinen materiaalikerros rakensivat ulkopinnan.)
elektrodien erottaminen olisi toteuttamiskelpoisempi vaihtoehto kuin silppuaminen, kun sitä käytetään autonomisen purkamisen yhteydessä, mikä mahdollistaisi puhtaammat jätevirrat ja suuremman arvon säilyttämisen

Ultraääni sonotrodit elektrodi delaminaatioon

Erityisiä sonotrodeja, jotka tuottavat tarvittavan amplitudin aktiivisten materiaalien poistamiseksi elektrodifoliosta, ovat helposti saatavilla. Kun akustisen kavitaation voimakkuus pienenee sonotrodin ja elektrodin välisen etäisyyden kasvaessa, sonotrodin ja elektrodin välinen etäisyys on jatkuvasti tasainen. Tämä tarkoittaa, että elektrodilevy on siirrettävä tiiviisti sonotrode-kärjen alle, jossa paineaallot ovat voimakkaita ja kavitaatiotiheys on korkea. Erityisillä sonotrodeilla, jotka tarjoavat laajemman leveyden kuin tavallinen lieriömäinen ultraäänianturi, Hielscher Ultrasonics tarjoaa tehokkaan ratkaisun sähköajoneuvojen elektrodilevyjen yhtenäiseen delaminaatioon. Esimerkiksi pussikennosähköauton (EV) akuissa käytettävien elektrodien leveys on tyypillisesti noin 20 cm. Saman levyinen sonotrodi lähettää akustisen kavitaatiota tasaisesti koko elektrodipinnalle. Siten muutamassa sekunnissa aktiivisen materiaalin kerrokset vapautuvat liuottimeen ja voidaan uuttaa ja puhdistaa jauheeksi. Tätä jauhetta voidaan käyttää uudelleen uusien paristojen valmistukseen.
Ison-Britannian Faraday-instituutin tutkimusryhmä raportoi, että aktiivisten materiaalikerrosten poistaminen LIB-elektrodista voidaan suorittaa alle 10 sekunnissa, kun elektrodi sijaitsee suoraan suuritehoisen sonotrodin (1000-2000 W, esim. UIP1000hdT tai UIP2000hdT). Ultraäänikäsittelyn aikana aktiivisten materiaalien ja virtakeräilijöiden väliset liimasidokset rikkoutuvat niin, että myöhemmässä puhdistusvaiheessa voidaan ottaa talteen ehjä virrankerääjä ja jauhettu aktiivinen materiaali.

Kuvat, jotka osoittavat ultraäänen vaikutuksen: a) litiumioniakku anodilevyn takaosaan ja b) litiumioniakkukatodilevyyn. Anodi delaminoitiin 0, 05 M sitruunahapon liuoksessa; katodi delaminoitiin 0,1 M NaOH: n liuoksessa. Sonotrodin halkaisija oli 20 mm, ja tehon voimakkuus oli 120 W / cm2, jota käytettiin 3 sekunnin ajan, 2,5 mm: n päässä sonotrodista. Näytteen koko oli 3 cm x 3 cm.
(tutkimus ja kuvat: Lei et ai., 2021)

Ultrasonicators elektrodi delamination

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja jakaa korkean suorituskyvyn ultraääniprosessoreita, jotka toimivat 20 kHz: n alueella. Hielscher Ultrasonics’ teolliset ultraäänilaitteet ovat suuritehoisia ultraääniprosessoreita, jotka voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja vaativiin sovelluksiin. Jopa 200 μm amplitudit voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-toiminnassa. Vielä korkeampia amplitudeja varten on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Hielscher tarjoaa elektrodien jatkuvaan delaminaatioprosessiin valikoiman sekä räätälöityjä sonotrodeja. Sonotrode-koko voidaan mukauttaa elektrodimateriaalin kokoon ja leveyteen, mikä kohdistaa optimaaliset prosessiolosuhteet korkealle läpäisykyvylle ja ylivoimaiselle talteenotolle.

Kirjallisuus / Referenssit