Elektrodien kierrätys – Erittäin tehokas ultraäänidelaminaatiolla

Elektrodien ultraäänidelaminointi mahdollistaa aktiivisten materiaalien, kuten litiumin, nikkelin, mangaanin, koboltin jne., Talteenoton muutamassa sekunnissa. Siten ultraäänielektrodin delaminointi tekee uudelleenkäytettävien materiaalien talteenotosta paristoista nopeampaa, vihreää ja huomattavasti vähemmän energiaintensiivistä. Tutkimukset ovat jo osoittaneet, että ultraäänidelaminaatio voi olla 100 kertaa nopeampi kuin perinteiset kierrätystekniikat.

Tehon ultraääni parantaa aktiivisten materiaalien talteenottoa elektrodeista

Elektrodien ultraäänellä assitoitu delaminointi tarjoaa nopean, tehokkaan ja kestävän lähestymistavan aktiivisten materiaalien ja kalvon talteenottoon. Nämä elektrodin osat ovat arvokkaita materiaaleja, joita voidaan käyttää uudelleen uusien paristojen valmistukseen. Ultraäänidelaminaatio ei ole vain huomattavasti energiatehokkaampi kuin hydrometallurgiset ja pyrometallurgiset kierrätysprosessit, vaan ne tuottavat myös puhtaampia materiaaleja.

Akun kierrätys: elektrodien erotus ja delaminointi

Litiumioniakkujen (LIB) kierrätyksen tavoitteena on arvokkaiden materiaalien talteenotto. Elektrodit sisältävät arvokkaita ja harvinaisia materiaaleja, kuten litiumia, nikkeliä, mangaania, kobolttia jne., Jotka voidaan tehokkaasti ottaa talteen jatkuvalla ultraäänidelaminaatioprosessilla. Anturilla (sonotrode) varustetut ultraääniprosessorit voivat luoda voimakkaita amplitudit. Amplitudi lähettää ultraääniaaltoja nestemäiseen väliaineeseen (esim. liuotinhauteeseen), jossa vuorottelevien korkeapaine- / matalapainesyklien vuoksi syntyy pieniä tyhjiökuplia. Nämä tyhjiökuplat kasvavat muutaman syklin aikana, kunnes ne saavuttavat koon, jossa ne eivät pysty absorboimaan enää energiaa. Tässä vaiheessa kuplat luhistuvat väkivaltaisesti. Kuplan luhistuminen luo paikallisesti erittäin energiatiheän ympäristön, jossa on nestesuihkuja, joiden nopeus on jopa 280 m/s, voimakkaita turbulensseja, erittäin korkeita lämpötiloja (noin 5 000 K), paineita (noin 2 000 atm) ja vastaavasti lämpötila- ja paine-eroja.
Tämä ultraäänellä indusoidun kuplan luhistumisen ilmiö tunnetaan akustisena kavitaationa. Akustisen kavitaation vaikutukset poistavat aktiivisen materiaalin komposiittikalvon kalvovirran kerääjästä, joka on päällystetty molemmilta puolilta komposiittikalvolla. aktiivinen materiaali sisältää enimmäkseen litiummangaanioksidin (LMO) ja litiumnikkeli-mangaanikobolttioksidin (LiNiMnCoO2 tai NMC) jauheen seosta sekä hiilimustaa johtavana lisäaineena.
Ultraäänidelaminaation mekanismi perustuu fysikaalisiin voimiin, jotka kykenevät rikkomaan molekyylisidoksia. Teho-ultraäänen voimakkuuden vuoksi usein lievemmät liuottimet riittävät poistamaan aktiivisen materiaalin kerrokset kalvosta tai virrankerääjästä. Näin elektrodin ultraäänidelaminaatio on nopeampaa, ympäristöystävällistä ja huomattavasti vähemmän energiaintensiivistä.

Pyyhkäisyelektronimikroskopian (SEM) kuvat, jotka osoittavat elektrodin aktiivisen materiaalin morfologiset muutokset ultraäänidelaminaation yhteydessä. Kaikki kuvat on otettu 5000x suurennuksella ja 10 kV viritysenergialla. a) katodimateriaalin esidelaminointi, b) delaminoitu katodiaktiivimateriaali, c) anodimateriaalin esidelaminointi ja d) delaminoitu anodimateriaali.
(tutkimus ja kuvat: Lei et al., 2021)

Akun silppuaminen vs. elektrodien erotus

Aktiivisen materiaalin talteenottoon käytetään joko vesipitoisia tai orgaanisia liuottimia metallifolion, polymeerisideaineen ja/tai aktiivisen materiaalin liuottamiseksi. Prosessin suunnittelu ja virtaus vaikuttavat merkittävästi materiaalin talteenoton lopputulokseen. Perinteinen akkujen kierrätysprosessi sisältää akkumoduulien murskaamisen. Silputtuja komponentteja on kuitenkin vaikea erottaa yksittäisiksi komponenteiksi. Se vaatii monimutkaista käsittelyä aktiivisen / arvokkaan materiaalin saamiseksi silputusta massasta. Talteenotettujen aktiivisten materiaalien uudelleenkäyttämiseksi tarvitaan tietty puhtausaste. Erittäin puhtaiden materiaalien noutaminen murskatusta akkumassasta sisältää monimutkaisia prosesseja, kovia liuottimia ja on siksi kallista. Ultraääniuuttoa käytetään menestyksekkäästi tehostamaan ja parantamaan silputtujen litiumioniakkujen aktiivisen materiaalin talteenoton tuloksia.
Vaihtoehtoisena prosessina perinteiselle murskaukselle elektrodien erottamisen on osoitettu olevan tehokas akkujen kierrätysprosessi, joka voi merkittävästi parantaa saatujen materiaalien puhtautta. Elektrodierotusprosessia varten akku puretaan pääkomponentteihinsa. Koska elektrodit sisältävät suurimman osan arvokasta materiaalia, elektrodi erotetaan ja käsitellään kemiallisesti aktiivisten materiaalien (litium, nikkeli, mangaani, koboltti ...) liuottamiseksi päällystetystä kalvosta tai virrankerääjästä. Ultrasonication on tunnettu akustisen kavitaation aiheuttamista voimakkaista vaikutuksistaan. Sonomekaaniset voimat kohdistavat riittävästi värähtelyä ja leikkausta aktiivisten materiaalien poistamiseksi, jotka on kerrostettu kalvoon. (Pinnoitetun kalvon rakenne on samanlainen kuin voileipä, kalvo keskellä ja aktiivinen materiaalikerros rakensi ulkopinnan.)
Elektrodierotus olisi murskaamista kannattavampi vaihtoehto, kun sitä käytetään yhdessä autonomisen purkamisen kanssa, mikä mahdollistaisi puhtaammat jätevirrat ja suuremman arvon säilymisen tarjonnassa

Ultraääni sonotrodes elektrodin delaminaatioon

Erityiset sonotrodit, jotka tuottavat vaaditun amplitudin aktiivisten materiaalien poistamiseksi elektrodikalvosta, ovat helposti saatavilla. Koska akustisen kavitaation voimakkuus pienenee sonotrodin ja elektrodin välisen etäisyyden kasvaessa, jatkuvasti tasainen etäisyys sonotrodin ja elektrodin välillä on suotuisa. Tämä tarkoittaa, että elektrodilevy tulisi siirtää tiiviisti sonotrodin 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 elektrodilevyjen tasaiseen delaminoitumiseen sähköajoneuvoista. Esimerkiksi sähköautojen akkuissa käytettävien elektrodien leveys on tyypillisesti noin 20 cm. Saman leveyden sonotrode lähettää akustisen kavitaation tasaisesti koko elektrodin pinnalla. Tällöin aktiivisen materiaalin kerrokset vapautuvat muutamassa sekunnissa liuottimeen ja ne voidaan uuttaa ja puhdistaa jauheeksi. Tätä jauhetta voidaan käyttää uudelleen uusien paristojen valmistukseen.
Ison-Britannian Faraday Institutionin tutkimusryhmä raportoi, että aktiivisten materiaalikerrosten poistaminen LIB-elektrodista voidaan suorittaa alle 10 sekunnissa, kun elektrodi sijaitsee suoraan suuritehoisen sonotrodin alla (1000-2000 W, esim. UIP1000hdT tai UIP2000hdT). Ultraäänikäsittelyn aikana aktiivisten materiaalien ja virrankerääjien väliset liimasidokset rikkoutuvat siten, että seuraavassa puhdistusvaiheessa ehjä virrankerääjä ja jauhemainen aktiivinen materiaali voidaan ottaa talteen.

Kuvat, jotka osoittavat ultraäänen vaikutuksen takapuolella: a) litiumioniakun anodilevy ja b) litiumioniakun katodilevy. Anodi delaminoitiin liuoksessa, jossa oli 0,05 M sitruunahappoa; katodi delaminoitiin liuoksessa, jossa oli 0,1 M NaOH. Sonotrodin halkaisija oli 20 mm, ja tehointensiteetti oli 120 W / cm2 3 sekunnin ajan, 2,5 mm: n päässä sonotrodista. Näytteen koko oli 3 cm x 3 cm.
(tutkimus ja kuvat: Lei et al., 2021)

Ultrasonicators elektrodin delaminointiin

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja jakelee korkean suorituskyvyn ultraääniprosessoreita, jotka toimivat 20 kHz: n alueella. Hielscherin ultraääni’ Teolliset ultraäänilaitteet ovat suuritehoisia ultraääniprosessoreita, jotka voivat tuottaa erittäin suuria amplitudit vaativiin sovelluksiin. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti ajaa jatkuvasti 24/7 toiminnassa. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Elektrodien jatkuvaan delaminointiprosessiin Hielscher tarjoaa valikoiman vakio- ja räätälöityjä sonotrodeja. Sonotrode-koko voidaan mukauttaa elektrodimateriaalin kokoon ja leveyteen, mikä kohdistaa optimaaliset prosessiolosuhteet suurelle läpäisykyvylle ja erinomaiselle talteenotolle.

Kirjallisuus / Viitteet