Recyclage des électrodes – Très efficace avec le décollement par ultrasons

Le délaminage ultrasonique des électrodes permet de récupérer en quelques secondes des matériaux actifs tels que le lithium, le nickel, le manganèse, le cobalt, etc. Ainsi, le délaminage ultrasonique des électrodes rend la récupération des matériaux réutilisables des batteries plus rapide, plus écologique et nettement moins gourmande en énergie. Des recherches ont déjà prouvé que le délaminage par ultrasons peut être 100 fois plus rapide que les techniques de recyclage conventionnelles.

Les ultrasons de puissance améliorent la récupération des matériaux actifs des électrodes

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

Recyclage des batteries : Séparation et décollement 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 de minuscules bulles de vide apparaissent en raison de l'alternance de cycles de haute et de basse pression. Ces bulles de vide grossissent sur quelques cycles, jusqu'à ce qu'elles atteignent une taille telle qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie. À ce moment-là, 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 très élevées (environ 5 000 K), des pressions (environ 2 000 atm) et des différentiels de température et de pression en conséquence.
Ce phénomène d'implosion de bulles induit par les ultrasons est connu sous le nom de cavitation acoustique. Les effets de la cavitation acoustique retirent le film composite de matériau actif du collecteur de courant à feuille, qui est revêtu des deux côtés du film composite. Le matériau actif contient principalement un mélange de poudre d'oxyde de lithium et de manganèse (LMO) et d'oxyde de lithium, de nickel et de manganèse et de cobalt (LiNiMnCoO2 ou NMC), ainsi que du noir de carbone en tant qu'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 des ultrasons de puissance, des solvants plus doux suffisent souvent à retirer les couches de matière active de la feuille ou du collecteur de courant. Le délaminage ultrasonique des électrodes est donc plus rapide, plus respectueux de l'environnement et nettement moins gourmand 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 de la cathode avant délaminage, b) matériau actif de la cathode délaminé, c) matériau de l'anode avant délaminage et d) matériau de l'anode délaminé.
(étude et illustrations : Lei et al., 2021)

Déchiquetage des piles et séparation des électrodes

Pour la récupération de la matière active, des solvants aqueux ou organiques sont utilisés pour dissoudre la feuille métallique, 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 piles. Cependant, les composants déchiquetés sont difficiles à séparer en composants individuels. Un traitement complexe est nécessaire pour obtenir des matières actives/valorisables à partir de la masse déchiquetée. Pour réutiliser les matériaux actifs récupérés, un certain degré de pureté est nécessaire. La récupération de matériaux très purs à partir de la masse de batteries déchiquetées 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 matériaux actifs des batteries lithium-ion déchiquetées.
En tant que processus alternatif au broyage traditionnel, la séparation des électrodes s'est avérée être un processus de recyclage des batteries efficace qui peut améliorer de manière significative la pureté des matériaux obtenus. Pour le processus de séparation des électrodes, la batterie est démontée en ses principaux composants. Comme les électrodes contiennent la plus grande partie des matériaux de valeur, elles sont séparées et traitées chimiquement pour dissoudre les matériaux actifs (lithium, nickel, manganèse, cobalt...) de la feuille enduite 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 déposés en couches sur la feuille (la structure d'une feuille revêtue est similaire à un sandwich, la feuille étant au centre et la couche de matériaux actifs étant construite sur la surface extérieure).
la séparation des électrodes serait une option plus viable que le déchiquetage, lorsqu'elle est utilisée en conjonction avec le désassemblage autonome, ce qui permettrait d'obtenir des flux de déchets plus purs et de conserver une plus grande valeur dans la chaîne d'approvisionnement.

Sonotrodes ultrasoniques pour le décollement des électrodes

Des sonotrodes spéciales délivrant l'amplitude nécessaire pour éliminer les matériaux actifs de la feuille d'électrode sont facilement disponibles. L'intensité de la cavitation acoustique diminuant avec l'augmentation de la distance entre la sonotrode et l'électrode, il est préférable d'avoir une distance constante et uniforme entre la sonotrode et l'électrode. Cela signifie que la feuille d'électrode doit être placée près de la pointe de la sonotrode, là où les ondes de pression sont fortes et la densité de cavitation élevée. Grâce à des sonotrodes spéciales plus larges que la sonde ultrasonique cylindrique standard, Hielscher Ultrasonics propose une solution efficace pour une délamination uniforme des feuilles d'électrodes des véhicules électriques. Par exemple, les électrodes utilisées dans les batteries de véhicules électriques ont généralement une largeur d'environ 20 cm. Une sonotrode de la même largeur transmet la cavitation acoustique uniformément 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 sous forme de poudre. Cette poudre peut être réutilisée pour la production de nouvelles batteries.
L'équipe de recherche de la Faraday Institution du Royaume-Uni rapporte que l'enlèvement des couches de matériau actif de l'électrode LIB peut être réalisé en moins de 10 s lorsque l'électrode est placée directement sous une sonotrode de forte puissance (1000 à 2000 W, par ex. UIP1000hdT ou UIP2000hdT). Pendant le traitement aux ultrasons, les liaisons adhésives entre les matériaux actifs et les collecteurs de courant sont rompues, de sorte que, dans une étape de purification ultérieure, un collecteur de courant intact et des matériaux actifs en poudre peuvent être récupérés.

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

Ultrasons pour le décollement des électrodes

Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des processeurs ultrasoniques de haute performance, qui fonctionnent dans la gamme des 20kHz. Hielscher Ultrasonics’ Les ultrasons industriels sont des processeurs à ultrasons de grande puissance qui peuvent fournir des amplitudes très élevées pour des applications exigeantes. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées 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 en continu des électrodes, Hielscher propose une gamme de sonotrodes standard et 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