Recikliranje elektroda – Vrlo učinkovit s ultrazvučnim raslojavanjem

Ultrazvučno raslojavanje elektroda omogućuje oporavak aktivnih materijala kao što su litij, nikal, mangan, kobalt itd. u roku od nekoliko sekundi. Time, ultrazvučno raslojavanje elektroda čini oporavak materijala za višekratnu upotrebu iz baterija bržim, zelenim i znatno manje energetski intenzivnim. Istraživanja su već dokazala da ultrazvučna delaminacija može biti 100 puta brža od konvencionalnih tehnika recikliranja.

Snaga ultrazvuk poboljšava oporavak aktivnih materijala iz elektroda

Ultrazvučno-assited delaminacija elektroda nudi brz, učinkovit i održiv pristup oporavlja aktivne materijale i foliju. Ovi dijelovi elektrode su vrijedni materijali koji se mogu ponovno koristiti za proizvodnju novih baterija. Ultrazvučna delaminacija nije samo znatno energetski učinkovitija od hidrometalurških i pirometalurških procesa recikliranja, već daju i materijale veće čistoće.

Recikliranje baterije: Odvajanje i raslojavanje elektroda

Recikliranje litij-ionskih baterija (LIB) ima za cilj oporabiti vrijedne materijale. Elektrode sadrže dragocjene i rijetke materijale kao što su litij, nikal, mangan, kobalt itd., Koji se mogu učinkovito oporaviti kontinuiranim ultrazvučnim procesom raslojavanja. Ultrazvučni procesori opremljeni sondom (sonotrode) mogu stvoriti intenzivne amplitude. Amplituda prenosi ultrazvučne valove u tekući medij (npr. Kupka od otapala), gdje se zbog izmjeničnih ciklusa visokog tlaka / niskog tlaka pojavljuju minutni vakuumski mjehurići. Ovi vakuumski mjehurići rastu tijekom nekoliko ciklusa, sve dok ne dosegnu veličinu u kojoj ne mogu apsorbirati daljnju energiju. U ovom trenutku, mjehurići implodiraju nasilno. Implozija mjehurića stvara lokalno visoko energetski gusto okruženje s tekućim mlaznicama brzine do 280 m /s, intenzivnim turbulencijama, vrlo visokim temperaturama (približno 5.000K), tlakovima (približno 2.000 takm) i sukladno tome razlikama temperature i tlaka.
Ovaj fenomen ultrazvučno inducirane implozije mjehurića poznata je akustična kavitacija. Učinci akustične kavitacije uklanjaju kompozitni film aktivnog materijala iz kolektora struje folije, koji je s obje strane obložen kompozitnim filmom. aktivni materijal sadrži uglavnom mješavinu litij-manganovog oksida (LMO) i litij-nikal mangana kobaltnog oksida (LiNiMnCoO2 ili NMC) praha, kao i ugljično crnog kao vodljivog aditiva.
Mehanizam ultrazvučnog raslojavanja temelji se na fizičkim silama, koje su sposobne razbiti molekularne veze. Zbog intenziteta snage-ultrazvuka često su blaža otapala dovoljna za uklanjanje slojeva aktivnog materijala iz folije ili strujnog kolektora. Time je ultrazvučno raslojavanje elektrode brže, ekološki prihvatljivo i znatno manje energetski intenzivno.

Skeniranje elektronske mikroskopije (SEM) slike koje pokazuju morfološke promjene na aktivnom materijalu elektrode nakon ultrazvučnog raslojavanja. Sve su slike snimljene povećanjem od 5000x i energijom pobude od 10 kV. a) prethodno raslojavanje katodnog materijala, b) delaminirani katodni aktivni materijal, c) prethodno raslojavanje anodnog materijala i d) delaminirani anodni materijal.
(studija i slike: Lei i sur., 2021))

Usitnjavanje baterije u odnosu na odvajanje elektroda

Za oporabu aktivnog materijala vodena ili organska otapala koriste se za otapanje metalne folije, polimernog veziva i/ili aktivnog materijala. Dizajn procesa i protok značajno utječu na konačni ishod oporavka materijala. Tradicionalni postupak recikliranja baterija uključuje usitnjavanje modula baterija. Međutim, isjeckane komponente teško je odvojiti na pojedinačne komponente. Potrebna je složena obrada kako bi se dobio aktivan / vrijedan materijal iz isjeckane mase. Za ponovnu uporabu oporabljenih aktivnih materijala potreban je određeni stupanj čistoće. Dohvaćanje vrlo čistih materijala iz isjeckane baterije uključuje složene procese, oštra otapala i stoga je skupo. Ultrazvučno ispiranje uspješno se koristi za intenziviranje i poboljšanje rezultata aktivnog oporavka materijala od isjeckanih litij-ionskih baterija.
Kao alternativni proces tradicionalnog usitnjavanja, odvajanje elektroda pokazalo se kao učinkovit proces recikliranja baterija koji može značajno poboljšati čistoću dobivenih materijala. Za proces odvajanja elektroda, baterija se rastavlja u svoje glavne komponente. Budući da elektrode sadrže najveći udio vrijednog materijala, elektroda se odvaja i kemijski tretira kako bi se otopili aktivni materijali (litij, nikal, mangan, kobalt ...) iz obložene folije ili strujnog kolektora. Ultrasonication je dobro poznat po svojim intenzivnim učincima uzrokovanim akustičnom kavitacijom. Sonomehaničke sile primjenjuju dovoljno oscilacija i smicanja kako bi uklonile aktivne materijale, koji su slojeviti na foliju. (Struktura obložene folije slična je sendviču, folija u sredini i aktivni sloj materijala izgradili su vanjsku površinu.)
odvajanje elektroda bilo bi održivija opcija od usitnjavanja, kada se koristi zajedno s autonomnim rastavljanjem, omogućujući čišće tokove otpada i veće zadržavanje vrijednosti u opskrbi

Ultrazvučne sonotrode za raslojavanje elektroda

Lako su dostupne 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, povoljna je kontinuirano ujednačena udaljenost između sonotrode i elektrode. To znači da bi se list elektrode trebao pomicati blizu vrha sonotrode, gdje su tlačni valovi jaki, a gustoća kavitacije visoka. S posebnim sonotrodama koje nude širu širinu od standardne cilindrične ultrazvučne sonde, Hielscher Ultrasonics nudi učinkovito rješenje za ravnomjerno raslojavanje limova elektroda iz električnih vozila. Na primjer, elektrode koje se koriste u baterijama električnog vozila s torbicama (EV) obično imaju širinu od približno 20 cm. Sonotrod iste širine ravnomjerno prenosi akustičnu kavitaciju na cijeloj površini elektrode. Time se u roku od nekoliko sekundi slojevi aktivnog materijala oslobađaju u otapalo i mogu se ekstrahirati i pročistiti u prah. Ovaj prah se može ponovno koristiti za proizvodnju novih baterija.
Istraživački tim britanske institucije Faraday izvještava da se uklanjanje aktivnih slojeva materijala iz LIB elektrode 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 ultrazvučnog tretmana, ljepljive veze između aktivnih materijala i strujnih kolektora su slomljene tako da se u sljedećem koraku pročišćavanja može oporaviti netaknuti strujni kolektor i aktivni materijal u prahu.

Slike koje prikazuju učinak ultrazvuka na stražnjoj strani: a) litij-ionske baterije anodnog lima i b) katodnog lima litij-ionske baterije. Anoda je delaminirana u otopini limunske kiseline od 0,05 M; katoda je delaminirana otopinom od 0,1 M NaOH. Sonotrode je bio promjera 20 mm, s intenzitetom snage od 120 W / cm2 primijenjenim 3 sekunde, na 2,5 mm od sonotrode. Veličina uzorka bila je 3 cm x 3 cm.
(studija i slike: Lei i sur., 2021))

Ultrasonicators za delaminaciju elektroda

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučne procesore visokih performansi, koji rade u rasponu od 20 kHz. Hielscher ultrazvuka’ industrijski ultrasonicators su ultrazvučni procesori velike snage koji mogu isporučiti vrlo visoke amplitude za zahtjevne primjene. Amplitude do 200μm mogu se lako kontinuirano pokretati u 24/7 radu. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Za kontinuirani proces raslojavanja elektroda, Hielscher nudi niz standardnih, kao i prilagođenih sonotroda. Veličina sonotrode može se prilagoditi veličini i širini materijala elektrode, čime se ciljaju optimalni uvjeti procesa za visoku propusnost i vrhunski oporavak.

Književnost / Reference