ઇલેક્ટ્રોડ રિસાયક્લિંગ – અલ્ટ્રાસોનિક ડિલેમિનેશન સાથે અત્યંત કાર્યક્ષમ

ઇલેક્ટ્રોડ્સનું અલ્ટ્રાસોનિક ડિલેમિનેશન સેકન્ડોમાં લિથિયમ, નિકલ, મેંગેનીઝ, કોબાલ્ટ વગેરે જેવી સક્રિય સામગ્રીને પુનઃપ્રાપ્ત કરવાની મંજૂરી આપે છે. આમ, અલ્ટ્રાસોનિક ઇલેક્ટ્રોડ ડિલેમિનેશન બેટરીમાંથી ફરીથી વાપરી શકાય તેવી સામગ્રીની પુનઃપ્રાપ્તિ ઝડપી, લીલી અને નોંધપાત્ર રીતે ઓછી ઊર્જા-સઘન બનાવે છે. સંશોધન પહેલાથી જ સાબિત થયું છે કે અલ્ટ્રાસોનિક ડિલેમિનેશન પરંપરાગત રિસાયક્લિંગ તકનીકો કરતાં 100 ગણી ઝડપી હોઈ શકે છે.

પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ઇલેક્ટ્રોડ્સમાંથી સક્રિય સામગ્રીની પુનઃપ્રાપ્તિમાં સુધારો કરે છે

ઇલેક્ટ્રોડ્સનું અલ્ટ્રાસોનિકલી-સહાયિત ડિલેમિનેશન સક્રિય સામગ્રી અને ફોઇલને પુનઃપ્રાપ્ત કરવા માટે ઝડપી, કાર્યક્ષમ અને ટકાઉ અભિગમ પ્રદાન કરે છે. ઇલેક્ટ્રોડના આ ભાગો મૂલ્યવાન સામગ્રી છે, જેનો નવી બેટરીના ઉત્પાદન માટે ફરીથી ઉપયોગ કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક ડિલેમિનેશન માત્ર હાઇડ્રોમેટાલર્જિકલ અને પાયરોમેટાલર્જિકલ રિસાયક્લિંગ પ્રક્રિયાઓ કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધુ ઊર્જા-કાર્યક્ષમ નથી, તે ઉચ્ચ શુદ્ધતાની સામગ્રીમાં પણ ઉપજ આપે છે.

બેટરી રિસાયક્લિંગ: ઇલેક્ટ્રોડ સેપરેશન અને ડિલેમિનેશન

લિથિયમ આયન બેટરી (LIB) રિસાયક્લિંગનો હેતુ મૂલ્યવાન સામગ્રી પુનઃપ્રાપ્ત કરવાનો છે. ઇલેક્ટ્રોડ્સમાં લિથિયમ, નિકલ, મેંગેનીઝ, કોબાલ્ટ વગેરે જેવી કિંમતી અને દુર્લભ સામગ્રી હોય છે, જે સતત અલ્ટ્રાસોનિક ડિલેમિનેશન પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરીને અસરકારક રીતે પુનઃપ્રાપ્ત કરી શકાય છે. પ્રોબ (સોનોટ્રોડ) થી સજ્જ અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સ તીવ્ર કંપનવિસ્તાર બનાવી શકે છે. કંપનવિસ્તાર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગોને પ્રવાહી માધ્યમમાં પ્રસારિત કરે છે (દા.ત., દ્રાવક સ્નાન), જ્યાં વૈકલ્પિક ઉચ્ચ-દબાણ / ઓછા-દબાણ ચક્રને કારણે મિનિટ વેક્યૂમ પરપોટા ઉદભવે છે. આ શૂન્યાવકાશ પરપોટા થોડા ચક્રમાં વધે છે, જ્યાં સુધી તેઓ એવા કદ સુધી પહોંચી ન જાય કે જેના પર તેઓ કોઈપણ વધુ ઊર્જાને શોષી શકતા નથી. આ બિંદુએ, પરપોટા હિંસક રીતે ફૂટે છે. બબલ ઇમ્પ્લોશન 280m/s વેગ સુધીના પ્રવાહી જેટ, તીવ્ર અશાંતિ, ખૂબ ઊંચા તાપમાન (અંદાજે 5,000K), દબાણ (અંદાજે 2,000atm) અને તે મુજબ તાપમાન અને દબાણના તફાવતો સાથે સ્થાનિક રીતે ઉચ્ચ ઊર્જા-ગીચ વાતાવરણ પેદા કરે છે.
અલ્ટ્રાસોનિકલી પ્રેરિત બબલ ઇમ્પ્લોશનની આ ઘટનાને એકોસ્ટિક પોલાણ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. એકોસ્ટિક પોલાણની અસરો ફોઇલ વર્તમાન કલેક્ટરમાંથી સક્રિય સામગ્રીની સંયુક્ત ફિલ્મને દૂર કરે છે, જે સંયુક્ત ફિલ્મ સાથે બંને બાજુઓ પર કોટેડ છે. સક્રિય સામગ્રીમાં મોટે ભાગે લિથિયમ મેંગેનીઝ ઓક્સાઇડ (LMO) અને લિથિયમ નિકલ મેંગેનીઝ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ (LiNiMnCoO2 અથવા NMC) પાવડર તેમજ વાહક ઉમેરણ તરીકે કાર્બન બ્લેકનું મિશ્રણ હોય છે.
અલ્ટ્રાસોનિક ડિલેમિનેશનની મિકેનિઝમ ભૌતિક દળો પર આધારિત છે, જે મોલેક્યુલર બોન્ડ્સને તોડવા માટે સક્ષમ છે. પાવર-અલ્ટ્રાસાઉન્ડની તીવ્રતાને કારણે ઘણીવાર હળવા સોલવન્ટ્સ વરખ અથવા વર્તમાન કલેક્ટરમાંથી સક્રિય સામગ્રીના સ્તરોને દૂર કરવા માટે પૂરતા હોય છે. આમ, ઇલેક્ટ્રોડનું અલ્ટ્રાસોનિક ડિલેમિનેશન ઝડપી, પર્યાવરણને અનુકૂળ અને નોંધપાત્ર રીતે ઓછું ઊર્જા-સઘન છે.

અલ્ટ્રાસોનિક ડિલેમિનેશન પર ઇલેક્ટ્રોડ સક્રિય સામગ્રીમાં મોર્ફોલોજિકલ ફેરફારો દર્શાવતી ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (SEM) છબીઓને સ્કેન કરી રહી છે. બધી છબીઓ 5000x વિસ્તૃતીકરણ અને 10 kV ઉત્તેજના ઊર્જા પર લેવામાં આવી હતી. a) કેથોડ મટિરિયલ પ્રી-ડેલેમિનેશન, b) ડિલેમિનેટેડ કેથોડ એક્ટિવ મટિરિયલ, c) એનોડ મટિરિયલ પ્રિ-ડિલેમિનેશન અને d) ડિલેમિનેટેડ એનોડ મટિરિયલ.
(અભ્યાસ અને ચિત્રો: લેઈ એટ અલ., 2021)

બેટરી કટીંગ વિ. ઇલેક્ટ્રોડ વિભાજન

સક્રિય સામગ્રીની પુનઃપ્રાપ્તિ માટે મેટલ ફોઇલ, પોલિમર બાઈન્ડર અને/અથવા સક્રિય સામગ્રીને ઓગળવા માટે જલીય અથવા કાર્બનિક દ્રાવકનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. પ્રક્રિયાની રચના અને પ્રવાહ સામગ્રી પુનઃપ્રાપ્તિના અંતિમ પરિણામને નોંધપાત્ર રીતે પ્રભાવિત કરે છે. પરંપરાગત બૅટરી રિસાયક્લિંગ પ્રક્રિયામાં બૅટરી મૉડ્યૂલને કાપવાનો સમાવેશ થાય છે. જો કે, કાપેલા ઘટકોને વ્યક્તિગત ઘટકોમાં અલગ કરવા મુશ્કેલ છે. કાપેલા સમૂહમાંથી સક્રિય/મૂલ્યવાન સામગ્રી મેળવવા માટે તેને જટિલ પ્રક્રિયાની જરૂર છે. પુનઃપ્રાપ્ત સક્રિય સામગ્રીનો ફરીથી ઉપયોગ કરવા માટે, ચોક્કસ ડિગ્રીની શુદ્ધતા જરૂરી છે. કાપેલી બેટરીના જથ્થામાંથી અત્યંત શુદ્ધ સામગ્રી મેળવવામાં જટિલ પ્રક્રિયાઓ, કઠોર દ્રાવકનો સમાવેશ થાય છે અને તેથી તે ખર્ચાળ છે. અલ્ટ્રાસોનિક લીચિંગનો ઉપયોગ કાપલી લિથિયમ આયન બેટરીમાંથી સક્રિય સામગ્રી પુનઃપ્રાપ્તિના પરિણામોને તીવ્ર બનાવવા અને વધારવા માટે સફળતાપૂર્વક થાય છે.
પરંપરાગત કટીંગની વૈકલ્પિક પ્રક્રિયા તરીકે, ઇલેક્ટ્રોડ અલગ કરવાની અસરકારક બેટરી રિસાયક્લિંગ પ્રક્રિયા તરીકે દર્શાવવામાં આવી છે જે પ્રાપ્ત સામગ્રીની શુદ્ધતાને નોંધપાત્ર રીતે સુધારી શકે છે. ઇલેક્ટ્રોડ અલગ કરવાની પ્રક્રિયા માટે, બેટરીને તેના મુખ્ય ઘટકોમાં ડિસએસેમ્બલ કરવામાં આવે છે. ઇલેક્ટ્રોડ્સમાં મૂલ્યવાન સામગ્રીનો સૌથી મોટો હિસ્સો હોવાથી, કોટેડ ફોઇલ અથવા વર્તમાન કલેક્ટરમાંથી સક્રિય પદાર્થો (લિથિયમ, નિકલ, મેંગેનીઝ, કોબાલ્ટ ...) ઓગળવા માટે ઇલેક્ટ્રોડને અલગ પાડવામાં આવે છે અને રાસાયણિક રીતે સારવાર કરવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાસોનિકેશન એકોસ્ટિક પોલાણને કારણે થતી તેની તીવ્ર અસરો માટે જાણીતું છે. સોનોમેકેનિકલ દળો સક્રિય સામગ્રીને દૂર કરવા માટે પૂરતી ઓસિલેશન અને શીયર લાગુ કરે છે, જે વરખ પર સ્તરવાળી હોય છે. (કોટેડ ફોઇલનું માળખું સેન્ડવીચ જેવું જ છે, મધ્યમાં વરખ અને સક્રિય સામગ્રી સ્તર બાહ્ય સપાટી બનાવે છે.)
જ્યારે સ્વાયત્ત ડિસએસેમ્બલી સાથે ઉપયોગ કરવામાં આવે ત્યારે ઇલેક્ટ્રોડ અલગ કરવું એ કટકા કરતાં વધુ વ્યવહારુ વિકલ્પ બનશે, જે શુદ્ધ કચરાના પ્રવાહને અને પુરવઠામાં વધુ મૂલ્ય જાળવી રાખવા માટે પરવાનગી આપે છે.

ઇલેક્ટ્રોડ ડિલેમિનેશન માટે અલ્ટ્રાસોનિક સોનોટ્રોડ્સ

ઇલેક્ટ્રોડ ફોઇલમાંથી સક્રિય સામગ્રીને દૂર કરવા માટે જરૂરી કંપનવિસ્તાર પહોંચાડતા વિશિષ્ટ સોનોટ્રોડ્સ સરળતાથી ઉપલબ્ધ છે. સોનોટ્રોડ અને ઇલેક્ટ્રોડ વચ્ચે વધતા અંતર સાથે એકોસ્ટિક પોલાણની તીવ્રતા ઘટતી જાય છે, સોનોટ્રોડ અને ઇલેક્ટ્રોડ વચ્ચે સતત સમાન અંતર અનુકૂળ છે. આનો અર્થ એ છે કે, ઇલેક્ટ્રોડ શીટને સોનોટ્રોડની ટોચની નીચે નજીકથી ખસેડવી જોઈએ, જ્યાં દબાણ તરંગો મજબૂત હોય છે અને પોલાણની ઘનતા વધારે હોય છે. ખાસ સોનોટ્રોડ્સ પ્રમાણભૂત નળાકાર અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ કરતાં વ્યાપક પહોળાઈ ઓફર કરે છે, હિલ્સચર અલ્ટ્રાસોનિક્સ ઇલેક્ટ્રિક વાહનોમાંથી ઇલેક્ટ્રોડ શીટ્સના સમાન ડિલેમિનેશન માટે કાર્યક્ષમ ઉકેલ પ્રદાન કરે છે. દાખલા તરીકે, પાઉચ સેલ ઈલેક્ટ્રિક વ્હીકલ (EV) બેટરીમાં ઉપયોગમાં લેવાતા ઈલેક્ટ્રોડ્સની પહોળાઈ સામાન્ય રીતે આશરે હોય છે. 20 સે.મી. સમાન પહોળાઈનો સોનોટ્રોડ સમગ્ર ઇલેક્ટ્રોડ સપાટી પર એકસમાન રીતે એકોસ્ટિક પોલાણને પ્રસારિત કરે છે. આમ, સેકન્ડોમાં સક્રિય સામગ્રીના સ્તરો દ્રાવકમાં મુક્ત થાય છે અને તેને કાઢીને પાવડરમાં શુદ્ધ કરી શકાય છે. આ પાવડરનો નવી બેટરીના ઉત્પાદન માટે ફરીથી ઉપયોગ કરી શકાય છે.
યુ.કે.ની ફેરાડે સંસ્થાની સંશોધન ટીમ અહેવાલ આપે છે કે LIB ઇલેક્ટ્રોડમાંથી સક્રિય સામગ્રીના સ્તરોને દૂર કરવાનું કામ 10 સેકંડથી ઓછા સમયમાં પૂર્ણ કરી શકાય છે જ્યારે ઇલેક્ટ્રોડ સીધા ઉચ્ચ શક્તિવાળા સોનોટ્રોડની નીચે સ્થિત હોય (1000 થી 2000 W, દા.ત. UIP1000hdT અથવા UIP2000hdT). અલ્ટ્રાસોનિક સારવાર દરમિયાન સક્રિય સામગ્રી અને વર્તમાન કલેક્ટર્સ વચ્ચેના એડહેસિવ બોન્ડ તૂટી જાય છે જેથી કરીને પછીના શુદ્ધિકરણના પગલામાં અખંડ વર્તમાન કલેક્ટર અને પાવડર સક્રિય સામગ્રીને પુનઃપ્રાપ્ત કરી શકાય.

આની પાછળની બાજુએ અલ્ટ્રાસાઉન્ડની અસર દર્શાવતી છબીઓ: a) લિથિયમ આયન બેટરી એનોડ શીટ, અને b) લિથિયમ આયન બેટરી કેથોડ શીટ. એનોડને 0.05 M સાઇટ્રિક એસિડના દ્રાવણમાં ડિલેમિનેટ કરવામાં આવ્યું હતું; કેથોડ 0.1 M NaOH ના સોલ્યુશનમાં ડિલેમિનેટ કરવામાં આવ્યું હતું. સોનોટ્રોડનો વ્યાસ 20 મીમી હતો, જેમાં સોનોટ્રોડથી 2.5 મીમી દૂર 3 સેકન્ડ માટે 120 W/cm2 પાવર ઇન્ટેન્સિટી લાગુ કરવામાં આવી હતી. નમૂનાનું કદ 3 સેમી x 3 સેમી હતું.
(અભ્યાસ અને ચિત્રો: લેઈ એટ અલ., 2021)

ઇલેક્ટ્રોડ ડિલેમિનેશન માટે અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ

Hielscher Ultrasonics ઉચ્ચ-પ્રદર્શન અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સની ડિઝાઇન, ઉત્પાદન અને વિતરણ કરે છે, જે 20kHz રેન્જમાં કામ કરે છે. Hielscher અલ્ટ્રાસોનિક્સ’ ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ હાઇ-પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પ્રોસેસર છે જે માંગણી કરતી એપ્લિકેશન માટે ખૂબ જ ઉચ્ચ કંપનવિસ્તાર આપી શકે છે. 24/7 ઓપરેશનમાં 200µm સુધીના કંપનવિસ્તાર સરળતાથી સતત ચલાવી શકાય છે. ઉચ્ચ કંપનવિસ્તાર માટે, કસ્ટમાઇઝ્ડ અલ્ટ્રાસોનિક સોનોટ્રોડ્સ ઉપલબ્ધ છે. ઇલેક્ટ્રોડ્સની સતત ડિલેમિનેશન પ્રક્રિયા માટે, Hielscher પ્રમાણભૂત તેમજ કસ્ટમાઇઝ્ડ સોનોટ્રોડ્સની શ્રેણી પ્રદાન કરે છે. સોનોટ્રોડનું કદ ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીના કદ અને પહોળાઈને અનુકૂલિત કરી શકાય છે, ત્યાં ઉચ્ચ થ્રુપુટ અને શ્રેષ્ઠ પુનઃપ્રાપ્તિ માટે શ્રેષ્ઠ પ્રક્રિયા પરિસ્થિતિઓને લક્ષ્યાંકિત કરી શકાય છે.

સાહિત્ય / સંદર્ભો