Recikliranje elektroda – visoka učinkovitost uz ultrazvučnu delaminaciju

Ultrazvučna delaminacija elektroda omogućuje oporabu aktivnih materijala poput litija, nikla, mangana, kobalta itd. u roku od nekoliko sekundi. Time ultrazvučna delaminacija elektroda čini oporabu materijala iz baterija koji se mogu ponovno upotrijebiti bržom, ekološki prihvatljivom i znatno manje energetski zahtjevnom. Istraživanja su već dokazala da ultrazvučna delaminacija može biti 100 puta brža od konvencionalnih tehnika recikliranja.

Ultrazvuk velike snage poboljšava oporabu aktivnih materijala iz elektroda

Delaminacija elektroda potpomognuta ultrazvukom nudi brz, učinkovit i održiv pristup oporabi aktivnih materijala i folije. Ti dijelovi elektrode vrijedni su materijali koji se mogu ponovno upotrijebiti za proizvodnju novih baterija. Ultrazvučna delaminacija nije samo znatno energetski učinkovitija od hidrometalurških i pirometalurških postupaka recikliranja, već daje i materijale veće čistoće.

Recikliranje baterija: odvajanje i delaminacija elektroda

Cilj recikliranja litij-ionskih baterija (LIB) jest oporaba vrijednih materijala. Elektrode sadržavaju dragocjene i rijetke materijale poput litija, nikla, mangana, kobalta itd., koji se mogu učinkovito oporabiti kontinuiranim postupkom ultrazvučne delaminacije. Ultrazvučni procesori opremljeni sondom (sonotrodom) mogu stvarati visoke amplitude. Amplituda prenosi ultrazvučne valove u tekući medij (npr. kupelj s otapalom), u kojem zbog izmjeničnih ciklusa visokog i niskog tlaka nastaju sićušni vakuumski mjehurići. Ti vakuumski mjehurići rastu tijekom nekoliko ciklusa dok ne dosegnu veličinu pri kojoj više ne mogu apsorbirati dodatnu energiju. U tom trenutku mjehurići silovito implodiraju. Implozija mjehurića lokalno stvara okruženje vrlo visoke gustoće energije s mlazovima tekućine brzine do 280m/s, intenzivnom turbulencijom, vrlo visokim temperaturama (približno 5.000K), tlakovima (približno 2.000atm) te odgovarajućim razlikama u temperaturi i tlaku.
Ta pojava ultrazvučno izazvane implozije mjehurića poznata je kao akustična kavitacija. Učinci akustične kavitacije uklanjaju kompozitni film aktivnog materijala sa strujnog kolektora u obliku folije, koji je s obje strane obložen kompozitnim filmom. Aktivni materijal sadržava uglavnom smjesu praha litijeva manganova oksida (LMO) i litijeva niklova manganova kobaltova oksida (LiNiMnCoO2 ili NMC) te čađu kao vodljivi dodatak.
Mehanizam ultrazvučne delaminacije temelji se na fizikalnim silama koje mogu raskinuti molekularne veze. Zbog intenziteta ultrazvuka velike snage često su dovoljna blaža otapala za uklanjanje slojeva aktivnog materijala s folije ili strujnog kolektora. Time je ultrazvučna delaminacija elektrode brža, ekološki prihvatljiva i znatno manje energetski zahtjevna.

Slike dobivene pretražnom elektronskom mikroskopijom (SEM) koje prikazuju morfološke promjene aktivnog materijala elektrode pri ultrazvučnoj delaminaciji. Sve su slike snimljene pri povećanju od 5000x i energiji pobude od 10 kV. a) katodni materijal prije delaminacije, b) delaminirani katodni aktivni materijal, c) anodni materijal prije delaminacije i d) delaminirani anodni materijal.
(istraživanje i slike: Lei et al., 2021)

Usitnjavanje baterija naspram odvajanja elektroda

Za oporabu aktivnog materijala upotrebljavaju se vodena ili organska otapala za otapanje metalne folije, polimernog veziva i/ili aktivnog materijala. Projektiranje i tijek procesa znatno utječu na konačan rezultat oporabe materijala. Tradicionalni postupak recikliranja baterija uključuje usitnjavanje baterijskih modula. Međutim, usitnjene komponente teško je razdvojiti na pojedinačne sastavnice. Za dobivanje aktivnog/vrijednog materijala iz usitnjene mase potrebna je složena obrada. Za ponovnu uporabu oporabljenih aktivnih materijala potreban je određeni stupanj čistoće. Dobivanje materijala visoke čistoće iz usitnjene baterijske mase uključuje složene postupke i agresivna otapala te je stoga skupo. Ultrazvučno izluživanje uspješno se primjenjuje za intenziviranje i poboljšanje rezultata oporabe aktivnog materijala iz usitnjenih litij-ionskih baterija.
Kao alternativa tradicionalnom usitnjavanju, razdvajanje elektroda pokazalo se učinkovitim postupkom recikliranja baterija koji može znatno poboljšati čistoću dobivenih materijala. Za postupak razdvajanja elektroda baterija se rastavlja na svoje glavne komponente. Budući da elektrode sadržavaju najveći udio vrijednog materijala, elektroda se odvaja i kemijski obrađuje kako bi se aktivni materijali (litij, nikal, mangan, kobalt …) otopili i odvojili od obložene folije ili strujnog kolektora. Sonikacija je dobro poznata po svojim intenzivnim učincima uzrokovanima akustičnom kavitacijom. Sonomehaničke sile stvaraju dovoljno oscilacija i smicanja za uklanjanje aktivnih materijala koji su naneseni u slojevima na foliju. (Struktura obložene folije slična je sendviču: folija je u sredini, a sloj aktivnog materijala tvori vanjsku površinu.)
Razdvajanje elektroda bilo bi održivija opcija od usitnjavanja kada bi se primjenjivalo u kombinaciji s autonomnim rastavljanjem, čime bi se omogućili čišći tokovi otpada i veće zadržavanje vrijednosti u opskrbi

Ultrazvučne sonotrode za delaminaciju elektroda

Posebne sonotrode koje osiguravaju potrebnu amplitudu za uklanjanje aktivnih materijala s folije elektrode lako su dostupne. Budući da se intenzitet akustične kavitacije smanjuje s povećanjem udaljenosti između sonotrode i elektrode, poželjno je održavati stalnu, ujednačenu udaljenost između sonotrode i elektrode. To znači da list elektrode treba pomicati neposredno ispod vrha sonotrode, gdje su tlačni valovi snažni, a gustoća kavitacije visoka. Posebnim sonotrodama veće širine od standardne cilindrične ultrazvučne sonde Hielscher Ultrasonics nudi učinkovito rješenje za ravnomjernu delaminaciju listova elektroda iz električnih vozila. Primjerice, elektrode koje se upotrebljavaju u baterijama s vrećičastim ćelijama za električna vozila (EV) obično su široke približno 20 cm. Sonotroda iste širine ravnomjerno prenosi akustičnu kavitaciju po cijeloj površini elektrode. Tako se slojevi aktivnog materijala u roku od nekoliko sekundi oslobađaju u otapalo te se mogu izdvojiti i pročistiti u prah. Taj se prah može ponovno upotrijebiti za proizvodnju novih baterija.
Istraživački tim britanske ustanove Faraday Institution izvješćuje da se uklanjanje slojeva aktivnog materijala s elektrode litij-ionske baterije (LIB) može dovršiti za manje od 10 s kada se elektroda nalazi neposredno ispod sonotrode velike snage (1000 do 2000 W, npr. UIP1000hdT ili UIP2000hdT). Tijekom ultrazvučne obrade raskidaju se adhezijske veze između aktivnih materijala i strujnih kolektora, tako da se u naknadnom koraku pročišćavanja mogu oporabiti neoštećen strujni kolektor i aktivni materijal u prahu.

Slike prikazuju učinak ultrazvuka na stražnju stranu: a) anodnog lista litij-ionske baterije i b) katodnog lista litij-ionske baterije. Anoda je delaminirana u otopini limunske kiseline koncentracije 0,05 M; katoda je delaminirana u otopini NaOH koncentracije 0,1 M. Sonotroda je imala promjer 20 mm, a intenzitet snage od 120 W/cm2 primijenjen je tijekom 3 sekunde na udaljenosti od 2,5 mm od sonotrode. Veličina uzorka bila je 3 cm x 3 cm.
(istraživanje i slike: Lei et al., 2021)

Ultrazvučni uređaji za delaminaciju elektroda

Hielscher Ultrasonics projektira, proizvodi i distribuira visokoučinkovite ultrazvučne procesore koji rade u frekvencijskom području od 20kHz. Industrijski ultrazvučni uređaji tvrtke Hielscher Ultrasonics ultrazvučni su procesori velike snage koji mogu postići vrlo visoke amplitude za zahtjevne primjene. Amplitude do 200µm mogu se lako održavati u neprekidnom radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Za kontinuirani postupak delaminacije elektroda Hielscher nudi niz standardnih i prilagođenih sonotroda. Veličina sonotrode može se prilagoditi veličini i širini materijala elektrode, čime se nastoje postići optimalni procesni uvjeti za visok kapacitet obrade i vrhunsko izdvajanje materijala.

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.