מיחזור אלקטרודות – יעיל מאוד עם Delamination קולי

delamination קולי של אלקטרודות מאפשר לשחזר חומרים פעילים כגון ליתיום, ניקל, מנגן, קובלט וכו 'בתוך שניות. בכך, דלמינציה של אלקטרודות על-קוליות הופכת את ההתאוששות של חומרים לשימוש חוזר מסוללות למהירה יותר, ירוקה ופחות עתירת אנרגיה באופן משמעותי. מחקרים כבר הוכיחו כי delamination קולי יכול להיות 100 פעמים מהר יותר מאשר טכניקות מחזור קונבנציונאלי.

אולטרסאונד כוח משפר את ההתאוששות של חומרים פעילים מאלקטרודות

דלמינציה בסיוע אולטרה-סאונד של אלקטרודות מציעה גישה מהירה, יעילה ובת קיימא לשחזור חומרים פעילים ונייר כסף. חלקים אלה של האלקטרודה הם חומרים יקרי ערך, אשר ניתן לעשות בהם שימוש חוזר לייצור סוללות חדשות. delamination קולי הוא לא רק הרבה יותר חסכוני באנרגיה מאשר תהליכים hydrometallurgical ו pyrometallurgical מחזור, הם גם להניב חומרים של טוהר גבוה יותר.

מיחזור סוללות: הפרדת אלקטרודות ודלמינציה

מיחזור סוללות ליתיום-יון (LIB) נועד לשחזר חומרים יקרי ערך. האלקטרודות מכילות חומרים יקרים ונדירים כגון ליתיום, ניקל, מנגן, קובלט וכו', אותם ניתן לשחזר ביעילות באמצעות תהליך דלמינציה אולטראסוני רציף. מעבדים קוליים מצוידים בדיקה (sonotrode) יכול ליצור אמפליטודות אינטנסיביות. המשרעת מעבירה גלי אולטרסאונד לתוך התווך הנוזלי (למשל, אמבט ממס), שם עקב מחזורי לחץ גבוה / לחץ נמוך לסירוגין מתעוררות בועות ואקום זעירות. בועות ואקום אלה גדלות במשך כמה מחזורים, עד שהן מגיעות לגודל שבו הן אינן יכולות לספוג אנרגיה נוספת. בשלב זה, הבועות מתפוצצות באלימות. קריסת הבועה יוצרת באופן מקומי סביבה צפופה מאוד באנרגיה עם סילונים נוזליים במהירות של עד 280 מטר לשנייה, מערבולות עזות, טמפרטורות גבוהות מאוד (כ-5,000K), לחצים (כ-2,000 אטמוספירה) ובהתאם הפרשי טמפרטורה ולחצים.
תופעה זו של קריסת בועות אולטרה-סאונד ידועה כקוויטציה אקוסטית. ההשפעות של קוויטציה אקוסטית מסירות את הסרט המרוכב של חומר פעיל מאספן זרם האלומיניום, המצופה משני צדדיו בסרט המרוכב. החומר הפעיל מכיל בעיקר תערובת של תחמוצת ליתיום מנגן (LMO) וליתיום ניקל, אבקת קובלט קובלט (LiNiMnCoO2 או NMC) וכן פחמן שחור כתוסף מוליך.
מנגנון הדלמינציה העל-קולית מבוסס על כוחות פיזיקליים, המסוגלים לשבור קשרים מולקולריים. בשל עוצמת כוח אולטרסאונד, לעתים קרובות ממיסים מתונים יותר מספיקים כדי להסיר את שכבות החומר הפעיל מן נייר הכסף או אספן הנוכחי. בכך, הדלמינציה העל-קולית של האלקטרודה מהירה יותר, ידידותית לסביבה וצורכת פחות אנרגיה באופן משמעותי.

סריקת תמונות במיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) המראות את השינויים המורפולוגיים בחומר הפעיל של האלקטרודה בעת דלמינציה על-קולית. כל התמונות צולמו בהגדלה של 5000x ואנרגיית עירור של 10 kV. א) חומר קתודה טרום דלמינציה, ב) חומר פעיל קתודה מרובדת, ג) חומר אנודה טרום דלמינציה ו-ד) חומר אנודה מרובד.
(מחקר ותמונות: Lei et al., 2021)

גריסת סוללה לעומת הפרדת אלקטרודות

להשבת החומר הפעיל משתמשים בממסים מימיים או אורגניים להמסת רדיד המתכת, קושר הפולימר ו/או החומר הפעיל. עיצוב התהליך והזרימה משפיעים באופן משמעותי על התוצאה הסופית של התאוששות החומר. תהליך מיחזור הסוללות המסורתי כולל גריסה של מודולי הסוללה. עם זאת, קשה להפריד רכיבים גרוסים לרכיבים בודדים. זה דורש עיבוד מורכב על מנת לקבל חומר פעיל/יקר מהמסה הגרוסה. על מנת לעשות שימוש חוזר בחומרים פעילים משוחזרים, נדרשת מידה מסוימת של טוהר. שליפת חומרים טהורים במיוחד מנפח סוללה גרוסה כרוכה בתהליכים מורכבים, ממיסים קשים ולכן היא יקרה. שטיפה קולית משמשת בהצלחה כדי להגביר ולשפר את התוצאות של התאוששות חומר פעיל מסוללות ליתיום יון גרוסות.
כתהליך חלופי לגריסת האלקטרודות המסורתית, הפרדת אלקטרודות הוכחה כתהליך מיחזור סוללות יעיל שיכול לשפר משמעותית את טוהר החומרים המתקבלים. עבור תהליך הפרדת האלקטרודות, הסוללה מפורקת למרכיביה העיקריים. מכיוון שהאלקטרודות מכילות נתח גדול ביותר של חומר יקר, האלקטרודה מופרדת ומטופלת כימית כדי להמיס את החומרים הפעילים (ליתיום, ניקל, מנגן, קובלט ...) מנייר הכסף המצופה או מהקולט הנוכחי. Ultrasonication ידוע ההשפעות האינטנסיביות שלה נגרמת על ידי cavitation אקוסטי. הכוחות הסונומכניים מפעילים מספיק תנודה וגזירה כדי להסיר את החומרים הפעילים, המונחים בשכבות על נייר הכסף. (המבנה של רדיד אלומיניום מצופה דומה לכריך, נייר הכסף במרכז ושכבת החומר הפעיל בנו את המשטח החיצוני).
הפרדת אלקטרודות תהיה אפשרות מעשית יותר מאשר גריסה, כאשר נעשה בה שימוש בשילוב עם פירוק אוטונומי, מה שיאפשר זרמי פסולת טהורים יותר ושימור ערך רב יותר באספקה

סונוטרודים קוליים עבור אלקטרודה Delamination

סונוטרודים מיוחדים המספקים את המשרעת הנדרשת להסרת החומרים הפעילים מרדיד האלקטרודות זמינים. ככל שעוצמת הקוויטציה האקוסטית פוחתת ככל שהמרחק בין סונוטרודה לאלקטרודה הולך וגדל, מרחק אחיד ברציפות בין סונוטרודה לאלקטרודה הוא חיובי. משמעות הדבר היא שיש להזיז את יריעת האלקטרודות קרוב מתחת לקצה הסונוטרודה, שם גלי הלחץ חזקים וצפיפות הקוויטציה גבוהה. עם סונוטרודים מיוחדים המציעים רוחב רחב יותר מאשר בדיקה קולית גלילית סטנדרטית, Hielscher Ultrasonics מציעה פתרון יעיל עבור delamination אחיד של יריעות אלקטרודות מכלי רכב חשמליים. לדוגמה, אלקטרודות המשמשות בסוללות רכב חשמלי (EV) הן בדרך כלל ברוחב של כ -20 ס"מ. סונוטרודה באותו רוחב מעבירה קוויטציה אקוסטית באופן אחיד בכל משטח האלקטרודה. כך, תוך שניות משתחררות שכבות החומר הפעיל אל תוך הממס וניתן לחלץ אותן ולטהר אותן לאבקה. אבקה זו יכולה להיות בשימוש חוזר לייצור סוללות חדשות.
צוות המחקר של מכון פאראדיי בבריטניה מדווח כי הסרת שכבות החומר הפעיל מאלקטרודת LIB יכולה להסתיים תוך פחות מ -10 שניות כאשר האלקטרודה ממוקמת ישירות מתחת לסונוטרודה בהספק גבוה (1000 עד 2000 W, למשל. UIP1000hdT או UIP2000hdT). במהלך הטיפול האולטרסוני נשברים קשרי ההדבקה בין החומרים הפעילים לאספני הזרם, כך שבשלב הטיהור הבא ניתן לשחזר קולט זרם שלם וחומר פעיל אבקתי.

תמונות המציגות את השפעת האולטרסאונד בצד האחורי של: א) יריעת אנודה של סוללת ליתיום-יון, וב) יריעה קתודה של סוללת ליתיום-יון. האנודה הייתה מרובדת בתמיסה של 0.05 מ 'חומצת לימון; הקתודה הייתה מרובדת בתמיסה של 0.1 M NaOH. הסונוטרוד היה בקוטר 20 מ"מ, עם עוצמת הספק של 120 W/cm2 שהופעל במשך 3 שניות, במרחק של 2.5 מ"מ מהסונטרודה. גודל המדגם היה 3 ס"מ על 3 ס"מ.
(מחקר ותמונות: Lei et al., 2021)

Ultrasonicators עבור Delamination אלקטרודה

Hielscher Ultrasonics מתכננת, מייצרת ומפיצה מעבדים קוליים בעלי ביצועים גבוהים, הפועלים בטווח של 20kHz. Hielscher Ultrasonics’ אולטרסאונד תעשייתי הם מעבדי אולטרסאונד בעלי הספק גבוה שיכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד עבור יישומים תובעניים. אמפליטודות של עד 200μm ניתנות להפעלה רציפה בקלות בפעולה 24/7. עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים. עבור תהליך delamination מתמשך של אלקטרודות, Hielscher מציעה מגוון של סטנדרטי, כמו גם sonotrodes בהתאמה אישית. ניתן להתאים את גודל הסונוטרוד לגודל ולרוחב של חומר האלקטרודה, ובכך להתמקד בתנאי תהליך אופטימליים לתפוקה גבוהה והתאוששות מעולה.

ספרות / מקורות