Recikliranje elektroda – Visoko učinkovit s ultrazvučnim odvajanjem
Ultrazvučno raslojavanje elektroda omogućuje obnavljanje aktivnih materijala kao što su litij, nikal, mangan, kobalt itd. u roku od nekoliko sekundi. Zbog toga ultrazvučna delaminacija elektroda čini oporavak materijala koji se mogu ponovno koristiti iz baterija bržim, ekološki prihvatljivijim i znatno manje energetski intenzivnim. Istraživanja su već dokazala da ultrazvučno raslojavanje može biti 100 puta brže od konvencionalnih tehnika recikliranja.
Snažni ultrazvuk poboljšava oporavak aktivnih materijala iz elektroda
Ultrazvučno potpomognuta delaminacija elektroda nudi brz, učinkovit i održiv pristup oporavku aktivnih materijala i folije. Ovi dijelovi elektrode su vrijedni materijali koji se mogu ponovno koristiti za proizvodnju novih baterija. Ultrazvučno odstranjivanje nije samo značajno energetski učinkovitije od hidrometalurških i pirometalurških procesa recikliranja, oni također daju materijale veće čistoće.
- Brzo (dovršeno unutar nekoliko sekundi)
- Jednostavan za implementaciju
- Prilagodljiv veličini elektroda
- ekološki prihvatljivo
- Ekonomičan
- Sef
Recikliranje baterija: odvajanje i delaminacija elektroda
Recikliranje litij-ionske baterije (LIB) ima za cilj oporaviti vrijedne materijale. Elektrode sadrže dragocjene i rijetke materijale kao što su litij, nikal, mangan, kobalt itd., koji se mogu učinkovito oporaviti kontinuiranim ultrazvučnim postupkom delaminacije. Ultrazvučni procesori opremljeni sondom (sonotrodom) mogu stvoriti intenzivne amplitude. Amplituda prenosi ultrazvučne valove u tekući medij (npr. kupelj otapala), gdje se zbog izmjeničnih ciklusa visokog/niskog tlaka pojavljuju sitni vakuumski mjehurići. Ovi vakuumski mjehurići rastu tijekom nekoliko ciklusa, dok ne dosegnu veličinu pri kojoj više ne mogu apsorbirati energiju. U ovom trenutku mjehurići snažno eksplodiraju. Implozija mjehurića lokalno stvara okruženje visoke energetske gustine s tekućim mlazovima brzine do 280 m/s, intenzivnim turbulencijama, vrlo visokim temperaturama (približno 5000 K), pritiscima (približno 2000 atm) i sukladno tome razlikama temperature i tlaka.
Ovaj fenomen ultrazvučno inducirane implozije mjehurića poznat je kao akustična kavitacija. Učinci akustične kavitacije uklanjaju kompozitni film aktivnog materijala s folijskog odvodnika struje koji je obostrano obložen kompozitnim filmom. aktivni materijal uglavnom sadrži mješavinu praha litij mangan oksida (LMO) i litij nikal mangan kobalt oksida (LiNiMnCoO2 ili NMC) kao i čađu kao vodljivi aditiv.
Mehanizam ultrazvučne delaminacije temelji se na fizičkim silama koje su sposobne razbiti molekularne veze. Zbog intenziteta snage ultrazvuka često su dovoljna blaža otapala za uklanjanje slojeva aktivnog materijala s folije ili odvodnika struje. Time je ultrazvučno raslojavanje elektrode brže, ekološki prihvatljivije i znatno manje energetski intenzivno.

Slike skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM) koje pokazuju morfološke promjene aktivnog materijala elektrode nakon ultrazvučne delaminacije. Sve slike su snimljene s povećanjem od 5000x i energijom pobude od 10 kV. a) prethodno odslojivanje katodnog materijala, b) slojevito aktivni materijal katode, c) prethodno odslojivanje anodnog materijala i d) slojeviti anodni materijal.
(studija i slike: Lei et al., 2021.)
Usitnjavanje baterije u odnosu na odvajanje elektroda
Za obnavljanje aktivnog materijala koriste se ili vodena ili organska otapala za otapanje metalne folije, polimernog veziva i/ili aktivnog materijala. Dizajn procesa i tijek značajno utječu na krajnji ishod oporabe materijala. Tradicionalni proces recikliranja baterija uključuje usitnjavanje baterijskih modula. Međutim, usitnjene komponente je teško odvojiti u pojedinačne komponente. Zahtijeva složenu obradu kako bi se iz usitnjene mase dobio aktivan/vrijedan materijal. Za ponovnu upotrebu obnovljenih aktivnih materijala potreban je određeni stupanj čistoće. Izvlačenje vrlo čistih materijala iz usitnjene mase baterija uključuje složene procese, oštra otapala i stoga je skupo. Ultrazvučno ispiranje se uspješno koristi za intenziviranje i poboljšanje rezultata oporabe aktivnog materijala iz usitnjenih litij-ionskih baterija.
Kao alternativni postupak tradicionalnom usitnjavanju, odvajanje elektroda se pokazalo kao učinkovit proces recikliranja baterija koji može značajno poboljšati čistoću dobivenih materijala. Za proces odvajanja elektroda, baterija se rastavlja na glavne komponente. Budući da elektrode sadrže najveći udio vrijednog materijala, elektroda se odvaja i kemijski tretira kako bi se aktivni materijali (litij, nikal, mangan, kobalt…) otopili s obložene folije ili odvodnika struje. Ultrazvuk je dobro poznat po svojim intenzivnim učincima uzrokovanim akustičnom kavitacijom. Sonomehaničke sile primjenjuju dovoljno oscilacija i smicanja da uklone aktivne materijale koji su naslagani na foliju. (Struktura obložene folije slična je sendviču, folija u sredini i sloj aktivnog materijala čine vanjsku površinu.)
odvajanje elektroda bilo bi održivija opcija od usitnjavanja, kada bi se koristilo zajedno s autonomnim rastavljanjem, što bi omogućilo čišće tokove otpada i veće zadržavanje vrijednosti u opskrbi

Ultrazvučni uređaj UIP2000hdT je 2000 W snažan procesor za odvajanje elektroda i čini recikliranje baterija bržim, učinkovitijim i ekološki prihvatljivijim.
Ultrazvučne sonotrode za odvajanje elektroda
Dostupne su posebne sonotrode koje isporučuju potrebnu amplitudu za uklanjanje aktivnih materijala iz folije elektrode. Kako se intenzitet akustične kavitacije smanjuje s povećanjem udaljenosti između sonotrode i elektrode, kontinuirano jednolika udaljenost između sonotrode i elektrode je povoljna. To znači da se list elektrode treba pomicati bliže ispod vrha sonotrode, gdje su valovi pritiska jaki i gustoća kavitacije visoka. Uz posebne sonotrode koje nude širu širinu od standardne cilindrične ultrazvučne sonde, Hielscher Ultrasonics nudi učinkovito rješenje za jednoliku delaminaciju listova elektroda iz električnih vozila. Na primjer, elektrode koje se koriste u baterijama električnih vozila (EV) s džepnim ćelijama obično imaju širinu od pribl. 20 cm. Sonotroda iste širine prenosi akustičnu kavitaciju ravnomjerno na cijeloj površini elektrode. Time se unutar nekoliko sekundi slojevi aktivnog materijala otpuštaju u otapalo i mogu se ekstrahirati i pročistiti u prah. Ovaj prah se može ponovno koristiti za proizvodnju novih baterija.
Istraživački tim britanskog Faraday Institutiona izvješćuje da se uklanjanje slojeva aktivnog materijala s LIB elektrode može dovršiti za manje od 10 s kada se elektroda nalazi izravno ispod sonotrode velike snage (1000 do 2000 W, npr. UIP1000hdT ili UIP2000hdT). Tijekom ultrazvučne obrade ljepljive veze između aktivnih materijala i kolektora struje se prekidaju tako da se u sljedećem koraku pročišćavanja mogu oporaviti netaknuti kolektor struje i praškasti aktivni materijal.

Slike koje pokazuju učinak ultrazvuka na stražnjoj strani: a) anodnog lista litij-ionske baterije i b) katodnog lista litij-ionske baterije. Anoda je delaminirana u otopini 0,05 M limunske kiseline; katoda je delaminirana u otopini 0,1 M NaOH. Sonotroda je bila promjera 20 mm, s intenzitetom snage od 120 W/cm2 primijenjenom 3 sekunde, na udaljenosti od 2,5 mm od sonotrode. Veličina uzorka bila je 3 cm x 3 cm.
(studija i slike: Lei et al., 2021.)
Ultrazvučni uređaji za odvajanje elektroda
Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučne procesore visokih performansi koji rade u rasponu od 20kHz. Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrasonicators su ultrazvučni procesori velike snage koji mogu isporučiti vrlo visoke amplitude za zahtjevne primjene. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Za kontinuirani proces delaminacije elektroda, Hielscher nudi niz standardnih, kao i prilagođenih sonotroda. Veličina sonotrode može se prilagoditi veličini i širini materijala elektrode, ciljajući na taj način optimalne uvjete procesa za visoku propusnost i vrhunski oporavak.
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Literatura / Reference
- 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.

Slika prikazuje bakrenu foliju s koje su ultrazvučnim tretmanom od nekoliko sekundi uklonjeni slojevi grafita i aktivnog materijala. Regenerirane komponente su u otopini visoke čistoće, a dobiveni kolektor struje je čisti bakar.
(Slika i studija: Faraday Institution, Sveučilište u Birminghamu, Sveučilište u Leicesteru)

Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.