ઇલેક્ટ્રોડનું પુનઃચક્રણ – અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદનથી અત્યંત કાર્યક્ષમ

ઇલેક્ટ્રોડનું અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન લિથિયમ, નિકલ, મેંગેનીઝ, કોબાલ્ટ વગેરે જેવા સક્રિય પદાર્થોને સેકન્ડોમાં પુનઃપ્રાપ્ત કરવાનું શક્ય બનાવે છે. આમ, અલ્ટ્રાસોનિક ઇલેક્ટ્રોડ સ્તરવિચ્છેદન બેટરીઓમાંથી ફરીથી ઉપયોગમાં લઈ શકાય તેવા પદાર્થોની પુનઃપ્રાપ્તિને વધુ ઝડપી, પર્યાવરણને અનુકૂળ અને નોંધપાત્ર રીતે ઓછી ઊર્જાની જરૂરિયાતવાળી બનાવે છે. સંશોધન દ્વારા પહેલેથી જ સાબિત થયું છે કે અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન પરંપરાગત પુનઃચક્રણ તકનીકો કરતાં 100 ગણું વધુ ઝડપી હોઈ શકે છે.

ઉચ્ચ શક્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડથી ઇલેક્ટ્રોડમાંથી સક્રિય પદાર્થોની પુનઃપ્રાપ્તિ સુધરે છે

અલ્ટ્રાસાઉન્ડની સહાયથી થતું ઇલેક્ટ્રોડનું સ્તરવિચ્છેદન સક્રિય પદાર્થો અને પન્નીની પુનઃપ્રાપ્તિ માટે ઝડપી, કાર્યક્ષમ અને ટકાઉ અભિગમ પૂરો પાડે છે. ઇલેક્ટ્રોડના આ ભાગો મૂલ્યવાન પદાર્થો છે, જેનો નવી બેટરીઓના ઉત્પાદન માટે ફરીથી ઉપયોગ કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન હાઇડ્રોમેટલર્જિકલ અને પાયરોમેટલર્જિકલ પુનઃચક્રણ પ્રક્રિયાઓ કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધુ ઊર્જાકાર્યક્ષમ હોવાની સાથે વધુ શુદ્ધતાવાળા પદાર્થો પણ આપે છે.

બેટરીનું પુનઃચક્રણ: ઇલેક્ટ્રોડનું પૃથક્કરણ અને સ્તરવિચ્છેદન

લિથિયમ આયન બેટરી (LIB)ના પુનઃચક્રણનો ઉદ્દેશ મૂલ્યવાન પદાર્થોની પુનઃપ્રાપ્તિ કરવાનો છે. ઇલેક્ટ્રોડમાં લિથિયમ, નિકલ, મેંગેનીઝ, કોબાલ્ટ વગેરે જેવા કિંમતી અને દુર્લભ પદાર્થો હોય છે, જેને સતત ચાલતી અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરીને કાર્યક્ષમ રીતે પુનઃપ્રાપ્ત કરી શકાય છે. પ્રોબ (સોનોટ્રોડ)થી સજ્જ અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરો તીવ્ર કંપનવિસ્તાર પેદા કરી શકે છે. આ કંપનવિસ્તાર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગોને પ્રવાહી માધ્યમમાં (દા.ત., દ્રાવક સ્નાનમાં) પ્રસારિત કરે છે, જ્યાં એકાંતરે આવતા ઉચ્ચ દબાણ / નિમ્ન દબાણના ચક્રોને કારણે સૂક્ષ્મ નિર્વાત પરપોટા ઉત્પન્ન થાય છે. આ નિર્વાત પરપોટા થોડાં ચક્રો દરમિયાન વધતા રહે છે, જ્યાં સુધી તેઓ એવા કદ સુધી ન પહોંચે કે જેમાં તેઓ વધુ ઊર્જા શોષી ન શકે. આ તબક્કે પરપોટા પ્રચંડ રીતે અંદરની તરફ ધસી પડીને ફૂટે છે. પરપોટાના આ અંતઃસ્ફોટથી સ્થાનિક સ્તરે અત્યંત ઊર્જાસઘન પરિસ્થિતિ સર્જાય છે, જેમાં 280m/s સુધીના વેગવાળા પ્રવાહી જેટ, તીવ્ર પ્રક્ષુબ્ધતા, ખૂબ ઊંચાં તાપમાન (આશરે 5,000K), દબાણ (આશરે 2,000atm) અને તેને અનુરૂપ તાપમાન તથા દબાણના તફાવતો ઉત્પન્ન થાય છે.
અલ્ટ્રાસાઉન્ડથી પ્રેરિત પરપોટાના અંતઃસ્ફોટની આ ઘટનાને ધ્વનિક કેવિટેશન કહેવામાં આવે છે. ધ્વનિક કેવિટેશનની અસરો પન્નીરૂપ વિદ્યુતપ્રવાહ સંગ્રાહક પરથી સક્રિય પદાર્થની સંયુક્ત ફિલ્મ દૂર કરે છે; આ સંગ્રાહકની બંને બાજુએ સંયુક્ત ફિલ્મનું આવરણ હોય છે. સક્રિય પદાર્થમાં મુખ્યત્વે લિથિયમ મેંગેનીઝ ઑક્સાઇડ (LMO) અને લિથિયમ નિકલ મેંગેનીઝ કોબાલ્ટ ઑક્સાઇડ (LiNiMnCoO2 અથવા NMC)ના પાઉડરનું મિશ્રણ તથા વિદ્યુતવાહક ઉમેરણ તરીકે કાર્બન બ્લેક હોય છે.
અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદનની ક્રિયાવિધિ ભૌતિક બળો પર આધારિત છે, જે આણ્વિક બંધનો તોડવામાં સક્ષમ હોય છે. ઉચ્ચ શક્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડની તીવ્રતાને કારણે પન્ની અથવા વિદ્યુતપ્રવાહ સંગ્રાહક પરથી સક્રિય પદાર્થનાં સ્તરો દૂર કરવા માટે ઘણી વાર વધુ સૌમ્ય દ્રાવકો પૂરતા હોય છે. આમ, ઇલેક્ટ્રોડનું અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન વધુ ઝડપી, પર્યાવરણને અનુકૂળ અને નોંધપાત્ર રીતે ઓછી ઊર્જાની જરૂરિયાતવાળું બને છે.

અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદનથી ઇલેક્ટ્રોડના સક્રિય પદાર્થમાં થતા આકારસંરચનાત્મક ફેરફારો દર્શાવતી સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (SEM)ની છબીઓ. બધી છબીઓ 5000x આવર્ધન અને 10 kV ઉત્તેજન ઊર્જા પર લેવામાં આવી હતી. a) સ્તરવિચ્છેદન પહેલાંનો કેથોડ પદાર્થ, b) સ્તરવિચ્છેદિત કેથોડનો સક્રિય પદાર્થ, c) સ્તરવિચ્છેદન પહેલાંનો એનોડ પદાર્થ અને d) સ્તરવિચ્છેદિત એનોડ પદાર્થ.
(અભ્યાસ અને ચિત્રો: Lei et al., 2021)

બેટરીનું કટકા કરીને વિખંડન વિરુદ્ધ ઇલેક્ટ્રોડનું પૃથક્કરણ

સક્રિય પદાર્થની પુનઃપ્રાપ્તિ માટે ધાતુની પાતળી પર્ણિકા, પોલિમર બંધક અને/અથવા સક્રિય પદાર્થને ઓગાળવા જલીય અથવા કાર્બનિક દ્રાવકોનો ઉપયોગ થાય છે. પ્રક્રિયાની રચના અને પ્રવાહ પદાર્થની પુનઃપ્રાપ્તિના અંતિમ પરિણામને નોંધપાત્ર રીતે પ્રભાવિત કરે છે. પરંપરાગત બેટરી પુનઃચક્રણ પ્રક્રિયામાં બેટરી મોડ્યુલોને કતરવામાં આવે છે. જોકે, કતરાયેલા ઘટકોને અલગ-અલગ ઘટકોમાં છૂટા પાડવા મુશ્કેલ છે. કતરાયેલા જથ્થામાંથી સક્રિય/મૂલ્યવાન પદાર્થ મેળવવા જટિલ પ્રક્રિયા જરૂરી છે. પુનઃપ્રાપ્ત સક્રિય પદાર્થોનો ફરી ઉપયોગ કરવા માટે ચોક્કસ સ્તરની શુદ્ધતા જરૂરી છે. કતરાયેલા બેટરીના જથ્થામાંથી અત્યંત શુદ્ધ પદાર્થો મેળવવા માટે જટિલ પ્રક્રિયાઓ અને તીવ્ર દ્રાવકો જરૂરી છે, તેથી તે ખર્ચાળ છે. કતરાયેલી લિથિયમ આયન બેટરીઓમાંથી સક્રિય પદાર્થની પુનઃપ્રાપ્તિની પ્રક્રિયાને વધુ તીવ્ર બનાવવા અને તેનાં પરિણામો સુધારવા અલ્ટ્રાસોનિક નિક્ષાલનનો સફળતાપૂર્વક ઉપયોગ થાય છે.
પરંપરાગત કતરવાની પ્રક્રિયાના વિકલ્પ તરીકે, ઇલેક્ટ્રોડનું વિભાજન એક અસરકારક બેટરી પુનઃચક્રણ પ્રક્રિયા હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું છે, જે મેળવેલા પદાર્થોની શુદ્ધતામાં નોંધપાત્ર સુધારો કરી શકે છે. ઇલેક્ટ્રોડ વિભાજન પ્રક્રિયા માટે બેટરીને તેના મુખ્ય ઘટકોમાં છૂટી પાડવામાં આવે છે. ઇલેક્ટ્રોડમાં મૂલ્યવાન પદાર્થનો સૌથી મોટો હિસ્સો હોવાથી, ઇલેક્ટ્રોડને અલગ કરીને રાસાયણિક ઉપચાર આપવામાં આવે છે, જેથી લેપિત પર્ણિકા અથવા વિદ્યુતપ્રવાહ સંગ્રાહક પરથી સક્રિય પદાર્થો (લિથિયમ, નિકલ, મેંગેનીઝ, કોબાલ્ટ …) ઓગાળી શકાય. અલ્ટ્રાસોનિકેશન ધ્વનિક કેવિટેશનને કારણે થતી તેની તીવ્ર અસરો માટે જાણીતું છે. ધ્વનિજન્ય યાંત્રિક બળો પર્ણિકા પર સ્તરોમાં રહેલા સક્રિય પદાર્થોને દૂર કરવા માટે પૂરતાં દોલન અને કતરણ બળ લાગુ કરે છે. (લેપિત પર્ણિકાની રચના સેન્ડવિચ જેવી હોય છે, જેમાં પર્ણિકા મધ્યમાં હોય છે અને સક્રિય પદાર્થનું સ્તર બહારની સપાટી બનાવે છે.)
સ્વાયત્ત રીતે ઘટકો છૂટા પાડવાની પ્રક્રિયા સાથે ઉપયોગ કરવામાં આવે ત્યારે, ઇલેક્ટ્રોડનું વિભાજન કતરવા કરતાં વધુ વ્યવહારુ વિકલ્પ બની શકે છે, જે વધુ શુદ્ધ કચરા પ્રવાહો અને પુરવઠામાં મૂલ્યની વધુ જાળવણી શક્ય બનાવે છે

ઇલેક્ટ્રોડના સ્તરો અલગ કરવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક સોનોટ્રોડ

ઇલેક્ટ્રોડની પર્ણિકા પરથી સક્રિય પદાર્થો દૂર કરવા માટે જરૂરી કંપનવિસ્તાર પૂરો પાડતા વિશિષ્ટ સોનોટ્રોડ સરળતાથી ઉપલબ્ધ છે. સોનોટ્રોડ અને ઇલેક્ટ્રોડ વચ્ચેનું અંતર વધવાથી ધ્વનિક કેવિટેશનની તીવ્રતા ઘટે છે, તેથી સોનોટ્રોડ અને ઇલેક્ટ્રોડ વચ્ચે સતત એકસરખું અંતર રાખવું અનુકૂળ છે. આનો અર્થ એ છે કે ઇલેક્ટ્રોડ શીટને સોનોટ્રોડની ટોચની નજીકથી તેની નીચેથી પસાર કરવી જોઈએ, જ્યાં દબાણ તરંગો પ્રબળ હોય છે અને કેવિટેશનની ઘનતા ઊંચી હોય છે. પ્રમાણભૂત નળાકાર અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ કરતાં વધુ પહોળાઈ ધરાવતા વિશિષ્ટ સોનોટ્રોડ દ્વારા, Hielscher Ultrasonics ઇલેક્ટ્રિક વાહનોની ઇલેક્ટ્રોડ શીટોના સ્તરો એકસરખી રીતે અલગ કરવા માટે કાર્યક્ષમ ઉકેલ આપે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ઇલેક્ટ્રિક વાહન (EV)ની પાઉચ સેલ બેટરીઓમાં વપરાતા ઇલેક્ટ્રોડની પહોળાઈ સામાન્ય રીતે આશરે 20 cm હોય છે. સમાન પહોળાઈ ધરાવતો સોનોટ્રોડ ઇલેક્ટ્રોડની સમગ્ર સપાટી પર ધ્વનિક કેવિટેશનનું એકસરખું પ્રસારણ કરે છે. આથી, સક્રિય પદાર્થનાં સ્તરો સેકન્ડોમાં જ દ્રાવકમાં છૂટાં પડે છે અને તેમને બહાર કાઢીને શુદ્ધ કરી પાઉડર બનાવી શકાય છે. આ પાઉડરનો નવી બેટરીઓના ઉત્પાદન માટે ફરી ઉપયોગ કરી શકાય છે.
યુનાઇટેડ કિંગડમની Faraday Institutionની સંશોધન ટીમ જણાવે છે કે LIB ઇલેક્ટ્રોડ પરથી સક્રિય પદાર્થનાં સ્તરો દૂર કરવાની પ્રક્રિયા 10 s કરતાં ઓછા સમયમાં પૂર્ણ થઈ શકે છે, જ્યારે ઇલેક્ટ્રોડ ઉચ્ચ શક્તિવાળા સોનોટ્રોડની સીધી નીચે સ્થિત હોય (1000 થી 2000 W, દા.ત. UIP1000hdT અથવા UIP2000hdT). અલ્ટ્રાસોનિક ઉપચાર દરમિયાન સક્રિય પદાર્થો અને વિદ્યુતપ્રવાહ સંગ્રાહકો વચ્ચેના આસંજક બંધ તૂટી જાય છે, જેથી ત્યારબાદના શુદ્ધીકરણના તબક્કામાં અખંડ વિદ્યુતપ્રવાહ સંગ્રાહક અને પાઉડર સ્વરૂપનો સક્રિય પદાર્થ પુનઃપ્રાપ્ત કરી શકાય છે.

આ છબીઓ નીચેની શીટોની પાછળની બાજુ પર અલ્ટ્રાસાઉન્ડની અસર દર્શાવે છે: a) લિથિયમ આયન બેટરીની એનોડ શીટ, અને b) લિથિયમ આયન બેટરીની કેથોડ શીટ. એનોડનું સ્તરવિચ્છેદન 0.05 M સાઇટ્રિક એસિડના દ્રાવણમાં કરવામાં આવ્યું હતું; કેથોડનું સ્તરવિચ્છેદન 0.1 M NaOH ના દ્રાવણમાં કરવામાં આવ્યું હતું. સોનોટ્રોડનો વ્યાસ 20 mm હતો, અને સોનોટ્રોડથી 2.5 mm દૂર 3 સેકન્ડ માટે 120 W/cm2 ની શક્તિ તીવ્રતા લાગુ કરવામાં આવી હતી. નમૂનાનું કદ 3 cm x 3 cm હતું.
(અભ્યાસ અને ચિત્રો: Lei et al., 2021)

ઇલેક્ટ્રોડના સ્તરવિચ્છેદન માટે અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ

Hielscher Ultrasonics ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સની ડિઝાઇન તૈયાર કરે છે, તેમનું ઉત્પાદન કરે છે અને વિતરણ કરે છે, જે 20kHz ની શ્રેણીમાં કાર્ય કરે છે. Hielscher Ultrasonics ના ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ ઉચ્ચ શક્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પ્રોસેસર્સ છે, જે કઠિન જરૂરિયાતો ધરાવતા ઉપયોગો માટે અત્યંત ઊંચા કંપનવિસ્તાર આપી શકે છે. 200µm સુધીના કંપનવિસ્તાર સાથે 24/7 કામગીરીમાં સરળતાથી સતત ચલાવી શકાય છે. તેનાથી પણ વધુ ઊંચા કંપનવિસ્તાર માટે જરૂરિયાત મુજબ બનાવેલા અલ્ટ્રાસોનિક સોનોટ્રોડ્સ ઉપલબ્ધ છે. ઇલેક્ટ્રોડના સતત સ્તરવિચ્છેદનની પ્રક્રિયા માટે Hielscher પ્રમાણભૂત તેમજ જરૂરિયાત મુજબ બનાવેલા સોનોટ્રોડ્સની શ્રેણી પ્રદાન કરે છે. સોનોટ્રોડનું કદ ઇલેક્ટ્રોડની સામગ્રીના કદ અને પહોળાઈને અનુરૂપ બનાવી શકાય છે, જેથી ઊંચા સામગ્રી પ્રસંસ્કરણ દર અને શ્રેષ્ઠ પુનઃપ્રાપ્તિ માટે પ્રક્રિયાની ઇષ્ટતમ પરિસ્થિતિઓ પ્રાપ્ત કરવાનું લક્ષ્ય રાખી શકાય.

સાહિત્ય / સંદર્ભો

• 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.