Recyclage des électrodes – Hautement efficace avec la délamination par ultrasons

La délamination par ultrasons des électrodes permet de récupérer en quelques secondes des matériaux actifs tels que le lithium, le nickel, le manganèse, le cobalt, etc. Ainsi, la délamination des électrodes par ultrasons permet de récupérer les matériaux réutilisables des batteries plus rapidement, de manière écologique et en consommant beaucoup moins d'énergie. Des recherches ont déjà prouvé que la délamination par ultrasons peut être 100 fois plus rapide que les techniques de recyclage conventionnelles.

Les ultrasons puissants améliorent la récupération des matériaux actifs des électrodes

La délamination des électrodes par ultrasons offre une approche rapide, efficace et durable pour récupérer les matériaux actifs et la feuille. Ces parties de l'électrode sont des matériaux précieux, qui peuvent être réutilisés pour la fabrication de nouvelles batteries. La délamination par ultrasons est non seulement beaucoup plus économe en énergie que les procédés de recyclage hydrométallurgiques et pyrométallurgiques, mais elle permet également d'obtenir des matériaux d'une plus grande pureté.

Recyclage des piles : Séparation et délamination des électrodes

Le recyclage des batteries lithium-ion (LIB) vise à récupérer des matériaux précieux. Les électrodes contiennent des matériaux précieux et rares tels que le lithium, le nickel, le manganèse, le cobalt, etc., qui peuvent être récupérés efficacement grâce à un processus continu de délamination par ultrasons. Les processeurs à ultrasons équipés d'une sonde (sonotrode) peuvent créer des amplitudes intenses. L'amplitude transmet des ondes ultrasonores dans le milieu liquide (par exemple, un bain de solvant), où, en raison de l'alternance de cycles haute pression / basse pression, de minuscules bulles de vide apparaissent. Ces bulles de vide grandissent pendant quelques cycles, jusqu'à ce qu'elles atteignent une taille à laquelle elles ne peuvent plus absorber d'énergie. À ce stade, les bulles implosent violemment. L'implosion des bulles génère localement un environnement très dense en énergie, avec des jets de liquide d'une vitesse pouvant atteindre 280 m/s, des turbulences intenses, des températures (environ 5 000 K) et des pressions (environ 2 000 atm) très élevées, ainsi que des écarts de température et de pression correspondants.
Ce phénomène d'implosion de bulles induit par les ultrasons est connu sous le nom de cavitation acoustique. Les effets de la cavitation acoustique éliminent le film composite de matériau actif du collecteur de courant en feuille, qui est revêtu des deux côtés du film composite. Le matériau actif contient principalement un mélange de poudre d'oxyde de lithium manganèse (LMO) et d'oxyde de lithium nickel manganèse cobalt (LiNiMnCoO2 ou NMC) ainsi que du noir de carbone comme additif conducteur.
Le mécanisme de délamination par ultrasons est basé sur des forces physiques, capables de rompre les liaisons moléculaires. En raison de l'intensité de la puissance des ultrasons, des solvants plus doux sont souvent suffisants pour enlever les couches de matériau actif de la feuille ou du collecteur de courant. Ainsi, la délamination par ultrasons de l'électrode est plus rapide, respectueuse de l'environnement et nettement moins gourmande en énergie.

Images de microscopie électronique à balayage (MEB) montrant les changements morphologiques du matériau actif de l'électrode lors de la délamination par ultrasons. Toutes les images ont été prises avec un grossissement de 5000x et une énergie d'excitation de 10 kV. a) matériau cathodique avant délamination, b) matériau actif cathodique délaminé, c) matériau anodique avant délamination et d) matériau anodique délaminé.
(étude et photos : Lei et al., 2021)

Déchiquetage des batteries et séparation des électrodes

Pour la récupération de la matière active, des solvants aqueux ou organiques sont utilisés pour dissoudre la feuille de métal, le liant polymère et/ou la matière active. La conception et le déroulement du processus influencent considérablement le résultat final de la récupération des matériaux. Le processus traditionnel de recyclage des piles implique le déchiquetage des modules de la pile. Cependant, les composants déchiquetés sont difficiles à séparer en composants individuels. Il faut un traitement complexe pour obtenir des matériaux actifs/valables à partir de la masse déchiquetée. Pour pouvoir réutiliser les matières actives récupérées, un certain degré de pureté est nécessaire. La récupération de matériaux très purs à partir de la masse de batteries broyées implique des processus complexes, des solvants agressifs et est donc coûteuse. La lixiviation par ultrasons est utilisée avec succès pour intensifier et améliorer les résultats de la récupération des matières actives des batteries lithium-ion broyées.
En tant que procédé alternatif au déchiquetage traditionnel, la séparation des électrodes s'est avérée être un procédé efficace de recyclage des piles qui peut améliorer de manière significative la pureté des matériaux obtenus. Pour le processus de séparation des électrodes, la batterie est désassemblée en ses principaux composants. Comme les électrodes contiennent la plus grande partie des matériaux précieux, elles sont séparées et traitées chimiquement pour dissoudre les matériaux actifs (lithium, nickel, manganèse, cobalt, etc.) de la feuille ou du collecteur de courant. L'ultrasonication est bien connue pour ses effets intenses causés par la cavitation acoustique. Les forces sonomécaniques appliquent suffisamment d'oscillations et de cisaillement pour enlever les matériaux actifs, qui sont superposés sur la feuille (la structure d'une feuille enduite est similaire à un sandwich, la feuille au centre et la couche de matériau actif construite sur la surface extérieure).
la séparation des électrodes serait une option plus viable que le déchiquetage, lorsqu'elle est utilisée conjointement avec le désassemblage autonome, ce qui permettrait d'obtenir des flux de déchets plus purs et de conserver une plus grande valeur dans l'approvisionnement.

Sonotrodes à ultrasons pour la délamination des électrodes

Des sonotrodes spéciales délivrant l'amplitude requise pour éliminer les matières actives de la feuille d'électrode sont facilement disponibles. Comme l'intensité de la cavitation acoustique diminue avec l'augmentation de la distance entre la sonotrode et l'électrode, une distance uniforme continue entre la sonotrode et l'électrode est favorable. Cela signifie que la feuille d'électrode doit être déplacée tout près de la pointe de la sonotrode, là où les ondes de pression sont fortes et où la densité de cavitation est élevée. Avec des sonotrodes spéciales offrant une plus grande largeur que la sonde ultrasonique cylindrique standard, Hielscher Ultrasons offre une solution efficace pour la délamination uniforme des feuilles d'électrodes des véhicules électriques. Par exemple, les électrodes utilisées dans les batteries de véhicules électriques (VE) à cellule de poche ont généralement une largeur d'environ 20 cm. Une sonotrode de la même largeur transmet la cavitation acoustique de manière uniforme sur toute la surface de l'électrode. Ainsi, en quelques secondes, les couches de matière active sont libérées dans le solvant et peuvent être extraites et purifiées en poudre. Cette poudre peut être réutilisée pour la production de nouvelles batteries.
L'équipe de recherche de l'institution Faraday du Royaume-Uni rapporte que l'élimination des couches de matériau actif de l'électrode LIB peut être réalisée en moins de 10 s lorsque l'électrode est placée directement sous une sonotrode de forte puissance (1000 à 2000 W, par exemple). UIP1000hdT ou UIP2000hdT). Pendant le traitement par ultrasons, les liens adhésifs entre les matériaux actifs et les collecteurs de courant sont rompus, de sorte que dans une étape de purification ultérieure, un collecteur de courant intact et un matériau actif en poudre peuvent être récupérés.

Images montrant l'effet des ultrasons sur la face arrière : a) d'une feuille d'anode de batterie lithium-ion, et b) d'une feuille de cathode de batterie lithium-ion. L'anode a été délaminée dans une solution d'acide citrique 0,05 M ; la cathode a été délaminée dans une solution de NaOH 0,1 M. La sonotrode avait un diamètre de 20 mm, avec une intensité de puissance de 120 W/cm2 appliquée pendant 3 secondes, à 2,5 mm de la sonotrode. La taille de l'échantillon était de 3 cm x 3 cm.
(étude et photos : Lei et al., 2021)

Ultrasons pour la délamination des électrodes

Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des processeurs à ultrasons de haute performance, qui travaillent dans la gamme des 20kHz. Hielscher Ultrasons’ Les ultrasons industriels sont des processeurs à ultrasons de haute puissance qui peuvent délivrer des amplitudes très élevées pour des applications exigeantes. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent facilement fonctionner en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. Pour le processus de délamination continue des électrodes, Hielscher propose une gamme de sonotrodes standard ou personnalisées. La taille de la sonotrode peut être adaptée à la taille et à la largeur du matériau de l'électrode, ce qui permet d'obtenir des conditions de traitement optimales pour un débit élevé et une récupération supérieure.

Littérature / Références