इलेक्ट्रोड पुनर्चक्रण – अल्ट्रासोनिक परत-वियोजन से अत्यधिक दक्षता

इलेक्ट्रोड के अल्ट्रासोनिक परत-वियोजन से लिथियम, निकल, मैंगनीज़, कोबाल्ट आदि सक्रिय पदार्थों को कुछ ही सेकंड में पुनः प्राप्त किया जा सकता है। इस प्रकार, अल्ट्रासोनिक इलेक्ट्रोड परत-वियोजन बैटरियों से पुनः उपयोग योग्य पदार्थों की पुनर्प्राप्ति को अधिक तेज़, पर्यावरण के अनुकूल और उल्लेखनीय रूप से कम ऊर्जा-खपत वाला बनाता है। अनुसंधान पहले ही सिद्ध कर चुका है कि अल्ट्रासोनिक परत-वियोजन पारंपरिक पुनर्चक्रण तकनीकों से 100 गुना अधिक तेज़ हो सकता है।

उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड इलेक्ट्रोड से सक्रिय पदार्थों की पुनर्प्राप्ति में सुधार करता है

अल्ट्रासाउंड की सहायता से इलेक्ट्रोड का परत-वियोजन सक्रिय पदार्थों और पन्नी की पुनर्प्राप्ति के लिए एक तीव्र, दक्ष और टिकाऊ तरीका प्रदान करता है। इलेक्ट्रोड के ये भाग मूल्यवान पदार्थ हैं, जिनका नई बैटरियों के निर्माण में पुनः उपयोग किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक परत-वियोजन न केवल जलधातुकर्मीय और तापधातुकर्मीय पुनर्चक्रण प्रक्रियाओं की तुलना में उल्लेखनीय रूप से अधिक ऊर्जा-दक्ष है, बल्कि इससे अधिक शुद्धता वाले पदार्थ भी प्राप्त होते हैं।

बैटरी पुनर्चक्रण: इलेक्ट्रोड पृथक्करण और परत-वियोजन

लिथियम आयन बैटरी (LIB) के पुनर्चक्रण का उद्देश्य मूल्यवान पदार्थों को पुनः प्राप्त करना है। इलेक्ट्रोड में लिथियम, निकल, मैंगनीज़, कोबाल्ट आदि बहुमूल्य और दुर्लभ पदार्थ होते हैं, जिन्हें निरंतर अल्ट्रासोनिक परत-वियोजन प्रक्रिया का उपयोग करके दक्षतापूर्वक पुनः प्राप्त किया जा सकता है। प्रोब (सोनोट्रोड) से सुसज्जित अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर उच्च आयाम उत्पन्न कर सकते हैं। यह आयाम अल्ट्रासाउंड तरंगों को तरल माध्यम (जैसे, विलायक स्नान) में संचारित करता है, जहाँ बारी-बारी से आने वाले उच्च-दाब / निम्न-दाब चक्रों के कारण सूक्ष्म निर्वात बुलबुले बनते हैं। ये निर्वात बुलबुले कुछ चक्रों के दौरान बढ़ते रहते हैं, जब तक कि वे ऐसे आकार तक नहीं पहुँच जाते जिस पर वे और अधिक ऊर्जा अवशोषित नहीं कर सकते। इस बिंदु पर, बुलबुले तीव्रता से अंतःस्फोटित होते हैं। बुलबुलों का अंतःस्फोट स्थानीय स्तर पर अत्यधिक ऊर्जा घनत्व वाला वातावरण उत्पन्न करता है, जिसमें 280m/s तक के वेग वाले तरल जेट, तीव्र विक्षोभ, अत्यंत उच्च तापमान (लगभग 5,000K), दाब (लगभग 2,000atm) और तदनुरूप तापमान तथा दाब के अंतर होते हैं।
अल्ट्रासाउंड द्वारा प्रेरित बुलबुलों के अंतःस्फोट की इस घटना को ध्वनिक कैविटेशन कहा जाता है। ध्वनिक कैविटेशन के प्रभाव पन्नी के रूप में बने धारा संग्राहक से सक्रिय पदार्थ की मिश्रित फ़िल्म को हटा देते हैं; इस धारा संग्राहक के दोनों ओर मिश्रित फ़िल्म का लेप होता है। सक्रिय पदार्थ में मुख्यतः लिथियम मैंगनीज़ ऑक्साइड (LMO) और लिथियम निकल मैंगनीज़ कोबाल्ट ऑक्साइड (LiNiMnCoO2 या NMC) के पाउडर का मिश्रण तथा चालक योजक के रूप में कार्बन ब्लैक होता है।
अल्ट्रासोनिक परत-वियोजन की क्रियाविधि ऐसे भौतिक बलों पर आधारित है, जो आणविक बंधनों को तोड़ने में सक्षम हैं। उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड की तीव्रता के कारण पन्नी या धारा संग्राहक से सक्रिय पदार्थ की परतों को हटाने के लिए प्रायः अपेक्षाकृत मृदु विलायक पर्याप्त होते हैं। इस प्रकार, इलेक्ट्रोड का अल्ट्रासोनिक परत-वियोजन अधिक तेज़, पर्यावरण के अनुकूल और उल्लेखनीय रूप से कम ऊर्जा-खपत वाला होता है।

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) छवियाँ, जो अल्ट्रासोनिक परत-वियोजन के फलस्वरूप इलेक्ट्रोड के सक्रिय पदार्थ में होने वाले आकारिकीय परिवर्तनों को दर्शाती हैं। सभी छवियाँ 5000x आवर्धन और 10 kV उत्तेजन ऊर्जा पर ली गई थीं। a) परत-वियोजन से पहले कैथोड पदार्थ, b) परत-वियोजित कैथोड सक्रिय पदार्थ, c) परत-वियोजन से पहले एनोड पदार्थ और d) परत-वियोजित एनोड पदार्थ।
(अध्ययन और चित्र: Lei et al., 2021)

बैटरी को कतरना बनाम इलेक्ट्रोड पृथक्करण

सक्रिय पदार्थ की पुनर्प्राप्ति के लिए धातु की पन्नी, बहुलक बंधक और/या सक्रिय पदार्थ को घोलने हेतु जलीय या कार्बनिक विलायकों का उपयोग किया जाता है। प्रक्रिया का अभिकल्प और प्रवाह, पदार्थ की पुनर्प्राप्ति के अंतिम परिणाम को काफी प्रभावित करते हैं। पारंपरिक बैटरी पुनर्चक्रण प्रक्रिया में बैटरी मॉड्यूलों को कतरना शामिल है। हालाँकि, कतरे गए घटकों को अलग-अलग घटकों में पृथक करना कठिन होता है। कतरे गए द्रव्यमान से सक्रिय/मूल्यवान पदार्थ प्राप्त करने के लिए जटिल प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है। पुनर्प्राप्त सक्रिय पदार्थों का दोबारा उपयोग करने के लिए एक निश्चित स्तर की शुद्धता आवश्यक है। कतरे गए बैटरी द्रव्यमान से अत्यधिक शुद्ध पदार्थ प्राप्त करने में जटिल प्रक्रियाएँ और तीव्र रासायनिक प्रभाव वाले विलायक शामिल होते हैं, इसलिए यह महँगा होता है। कतरी गई लिथियम आयन बैटरियों से सक्रिय पदार्थ की पुनर्प्राप्ति को तीव्र करने और उसके परिणामों को बेहतर बनाने के लिए अल्ट्रासोनिक निक्षालन का सफलतापूर्वक उपयोग किया जाता है।
पारंपरिक कतरने की प्रक्रिया के विकल्प के रूप में, इलेक्ट्रोड पृथक्करण एक प्रभावी बैटरी पुनर्चक्रण प्रक्रिया सिद्ध हुई है, जो प्राप्त पदार्थों की शुद्धता में काफी सुधार कर सकती है। इलेक्ट्रोड पृथक्करण प्रक्रिया के लिए बैटरी को खोलकर उसके प्रमुख घटकों को अलग किया जाता है। चूँकि इलेक्ट्रोडों में मूल्यवान पदार्थ का सबसे बड़ा हिस्सा होता है, इसलिए इलेक्ट्रोड को अलग करके उसका रासायनिक उपचार किया जाता है, ताकि लेपित पन्नी या धारा संग्राहक से सक्रिय पदार्थों (लिथियम, निकेल, मैंगनीज़, कोबाल्ट …) को घोला जा सके। अल्ट्रासोनिकेशन ध्वनिक कैविटेशन से उत्पन्न अपने तीव्र प्रभावों के लिए सुविख्यात है। ध्वनि-यांत्रिक बल पर्याप्त दोलन और अपरूपण उत्पन्न करते हैं, जिससे पन्नी पर परतों के रूप में चढ़े सक्रिय पदार्थ हट जाते हैं। (लेपित पन्नी की संरचना सैंडविच जैसी होती है, जिसमें पन्नी बीच में होती है और सक्रिय पदार्थ की परत बाहरी सतह बनाती है।)
स्वायत्त रूप से बैटरी खोलकर उसके घटकों को अलग करने के साथ उपयोग किए जाने पर, इलेक्ट्रोड पृथक्करण कतरने की तुलना में अधिक व्यवहार्य विकल्प हो सकता है, जिससे अधिक शुद्ध अपशिष्ट धाराएँ और आपूर्ति में अधिक मूल्य प्रतिधारण संभव होता है

इलेक्ट्रोड परत-विच्छेदन के लिए अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड

इलेक्ट्रोड की पन्नी से सक्रिय पदार्थ हटाने के लिए आवश्यक आयाम प्रदान करने वाले विशेष सोनोट्रोड आसानी से उपलब्ध हैं। चूँकि सोनोट्रोड और इलेक्ट्रोड के बीच दूरी बढ़ने के साथ ध्वनिक कैविटेशन की तीव्रता घटती है, इसलिए सोनोट्रोड और इलेक्ट्रोड के बीच लगातार एकसमान दूरी बनाए रखना अनुकूल होता है। इसका अर्थ है कि इलेक्ट्रोड शीट को सोनोट्रोड की नोक के ठीक नीचे, उसके निकट से गुज़ारना चाहिए, जहाँ दाब तरंगें प्रबल होती हैं और कैविटेशन घनत्व अधिक होता है। मानक बेलनाकार अल्ट्रासोनिक प्रोब से अधिक चौड़ाई वाले विशेष सोनोट्रोडों के साथ, Hielscher Ultrasonics इलेक्ट्रिक वाहनों की इलेक्ट्रोड शीटों के एकसमान परत-विच्छेदन के लिए एक कुशल समाधान प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रिक वाहन (EV) की पाउच सेल बैटरियों में उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोडों की चौड़ाई आम तौर पर लगभग 20 cm होती है। समान चौड़ाई वाला सोनोट्रोड इलेक्ट्रोड की पूरी सतह पर ध्वनिक कैविटेशन को एकसमान रूप से संचारित करता है। इससे कुछ ही सेकंड में सक्रिय पदार्थ की परतें विलायक में मुक्त हो जाती हैं और उन्हें निकालकर तथा शुद्ध करके चूर्ण के रूप में प्राप्त किया जा सकता है। इस चूर्ण का नई बैटरियों के उत्पादन के लिए दोबारा उपयोग किया जा सकता है।
यूनाइटेड किंगडम के Faraday Institution की शोध टीम के अनुसार, जब इलेक्ट्रोड उच्च शक्ति वाले सोनोट्रोड के ठीक नीचे स्थित होता है, तो LIB इलेक्ट्रोड से सक्रिय पदार्थ की परतों को हटाने का काम 10 s से कम समय में पूरा किया जा सकता है (1000 से 2000 W, उदाहरण के लिए UIP1000hdT या UIP2000hdT)। अल्ट्रासोनिक उपचार के दौरान सक्रिय पदार्थों और धारा संग्राहकों के बीच के आसंजक बंध टूट जाते हैं, जिससे बाद के शुद्धिकरण चरण में एक अक्षत धारा संग्राहक और चूर्ण रूप में सक्रिय पदार्थ पुनर्प्राप्त किया जा सकता है।

इन चित्रों में निम्न की पिछली सतह पर अल्ट्रासाउंड का प्रभाव दिखाया गया है: a) लिथियम आयन बैटरी की एनोड शीट, और b) लिथियम आयन बैटरी की कैथोड शीट। एनोड का परत-विच्छेदन 0.05 M साइट्रिक अम्ल के विलयन में किया गया; कैथोड का परत-विच्छेदन 0.1 M NaOH के विलयन में किया गया। सोनोट्रोड का व्यास 20 mm था; सोनोट्रोड से 2.5 mm की दूरी पर 3 सेकंड के लिए 120 W/cm2 की शक्ति तीव्रता लागू की गई। नमूने का आकार 3 cm x 3 cm था।
(अध्ययन और चित्र: Lei et al., 2021)

इलेक्ट्रोड के परत-विच्छेदन के लिए अल्ट्रासोनिकेटर

Hielscher Ultrasonics उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक प्रोसेसरों का डिज़ाइन, निर्माण और वितरण करता है, जो 20kHz की आवृत्ति सीमा में काम करते हैं। Hielscher Ultrasonics के औद्योगिक अल्ट्रासोनिकेटर उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड प्रोसेसर हैं, जो कठिन अनुप्रयोगों के लिए बहुत उच्च आयाम प्रदान कर सकते हैं। 24/7 संचालन में 200µm तक के आयामों पर आसानी से लगातार काम किया जा सकता है। इससे भी अधिक आयामों के लिए अनुकूलित अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड उपलब्ध हैं। इलेक्ट्रोड के निरंतर परत-विच्छेदन की प्रक्रिया के लिए Hielscher मानक और अनुकूलित सोनोट्रोड की एक श्रृंखला प्रदान करता है। सोनोट्रोड का आकार इलेक्ट्रोड सामग्री के आकार और चौड़ाई के अनुसार अनुकूलित किया जा सकता है, जिससे उच्च प्रसंस्करण क्षमता और उत्कृष्ट पुनर्प्राप्ति के लिए इष्टतम प्रक्रिया स्थितियाँ प्राप्त करने का लक्ष्य रखा जाता है।

साहित्य / संदर्भ

• 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.