Elektróda újrahasznosítása – Rendkívül hatékony ultrahangos delaminálással

Az elektródák ultrahangos delaminálása lehetővé teszi az aktív anyagok, például a lítium, a nikkel, a mangán, a kobalt stb. másodpercek alatt történő visszanyerését. Ezáltal az ultrahangos elektróda delaminálás gyorsabbá, zöldebbé és lényegesen kevésbé energiaigényessé teszi az újrafelhasználható anyagok visszanyerését az akkumulátorokból. A kutatások már bizonyították, hogy az ultrahangos delaminálás 100-szor gyorsabb lehet, mint a hagyományos újrahasznosítási technikák.

A power ultrahang javítja az aktív anyagok visszanyerését az elektródákból

Ultrahangoslag assited delaminálása elektródák kínál gyors, hatékony és fenntartható megközelítés helyreállítása aktív anyagok és a fólia. Az elektróda ezen részei értékes anyagok, amelyek újra felhasználhatók új akkumulátorok gyártásához. Az ultrahangos delaminálás nemcsak lényegesen energiahatékonyabb, mint a hidrometallurgiai és pirometallurgiai újrahasznosítási folyamatok, hanem nagyobb tisztaságú anyagokban is eredményeznek.

Akkumulátor újrahasznosítása: elektróda elválasztása és delaminálása

A lítium-ion akkumulátor (LIB) újrahasznosításának célja az értékes anyagok visszanyerése. Az elektródák értékes és ritka anyagokat tartalmaznak, például lítiumot, nikkelt, mangántot, kobaltot stb., Amelyek folyamatos ultrahangos delaminálási eljárással hatékonyan visszanyerhetők. Ultrahangos processzorok felszerelt szonda (sonotrode) hozhat létre intenzív amplitúdó. Az amplitúdó ultrahanghullámokat továbbít a folyékony közegbe (pl. oldószerfürdő), ahol váltakozó nagynyomású / alacsony nyomású ciklusok miatt perc vákuumbuborékok keletkeznek. Ezek a vákuumbuborékok néhány ciklus alatt nőnek, amíg el nem érik azt a méretet, amellyel nem képesek további energiát elnyelni. Ezen a ponton a buborékok hevesen összeomlanak. A buborék összeomlása lokálisan erősen energiadús környezetet hoz létre, akár 280 m / s sebességű folyékony fúvókákkal, intenzív turbulenciákkal, nagyon magas hőmérsékletekkel (kb. 5000K), nyomással (kb. 2000atm) és ennek megfelelően hőmérséklet- és nyomáskülönbségekkel.
Ez a jelenség ultrahangosan indukált buborék összeomlás ismert akusztikus kavitáció. Az akusztikus kavitáció hatásai eltávolítják az aktív anyag kompozit fóliáját a fóliaáram-kollektorból, amelyet mindkét oldalon a kompozit fóliával bevonnak. az aktív anyag többnyire lítium-mangán-oxid (LMO) és lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid (LiNiMnCoO2 vagy NMC) por, valamint szénfekete vezetőképes adalékanyag keverékét tartalmazza.
Az ultrahangos delaminálás mechanizmusa fizikai erőkön alapul, amelyek képesek megtörni a molekuláris kötéseket. A teljesítmény-ultrahang intenzitása miatt gyakran enyhébb oldószerek elegendőek ahhoz, hogy eltávolítsák az aktív anyag rétegeit a fóliából vagy az áramgyűjtőből. Ezáltal az elektróda ultrahangos delaminálása gyorsabb, környezetbarát és lényegesen kevésbé energiaigényes.

Pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) képek, amelyek az elektróda aktív anyagának morfológiai változásait mutatják ultrahangos delamináláskor. Minden kép 5000x-szeres nagyítással és 10 kV gerjesztési energiával készült. a) katód anyag delaminálás előtti delaminálás, b) delaminált katód hatóanyag, c) anód anyag a delaminálás előtt és d) delaminált anódanyag.
(tanulmány és képek: Lei et al., 2021)

Akkumulátor aprítás vs. elektróda elválasztása

Az aktív anyag visszanyeréséhez vizes vagy szerves oldószereket használnak a fémfólia, a polimer kötőanyag és/vagy az aktív anyag feloldásához. A folyamat kialakítása és áramlása jelentősen befolyásolja az anyag helyreállításának végső kimenetelét. A hagyományos akkumulátor-újrahasznosítási folyamat magában foglalja az akkumulátormodulok aprítását. Az aprított alkatrészeket azonban nehéz egyes alkatrészekre bontani. Komplex feldolgozást igényel annak érdekében, hogy aktív / értékes anyagot kapjunk az aprított tömegből. A visszanyert aktív anyagok újrafelhasználásához bizonyos fokú tisztaságra van szükség. A rendkívül tiszta anyagok kinyerése az aprított akkumulátor ömlesztett részéből összetett folyamatokat, durva oldószereket foglal magában, ezért drága. Az ultrahangos kimosódást sikeresen használják az aprított lítium-ion akkumulátorok aktív anyag-visszanyerésének fokozására és javítására.
A hagyományos aprítás alternatívájaként az elektróda szétválasztása hatékony akkumulátor-újrahasznosítási folyamatnak bizonyult, amely jelentősen javíthatja a kapott anyagok tisztaságát. Az elektróda elválasztási folyamatához az akkumulátort szétszerelik a fő alkatrészeire. Mivel az elektródák az értékes anyagok legnagyobb részét tartalmazzák, az elektródát elválasztják és kémiailag kezelik, hogy feloldják a bevont fóliából vagy áramgyűjtőből származó aktív anyagokat (lítium, nikkel, mangán, kobalt ...). Ultrasonication jól ismert az intenzív hatások által okozott akusztikus kavitáció. A sonomechanical erők elegendő oszcillációt és nyírást alkalmaznak az aktív anyagok eltávolításához, amelyek a fólia rétegére vannak rétegezve. (A bevont fólia szerkezete hasonló a szendvicshez, a közepén lévő fólia és az aktív anyagréteg építette a külső felületet.)
az elektróda elválasztása életképesebb megoldás lenne, mint az aprítás, ha autonóm szétszereléssel együtt használják, lehetővé téve a tisztább hulladékáramokat és a nagyobb értékmegőrzést a kínálatban

Ultrahangos szobrotok elektróda delamináláshoz

Az aktív anyagoknak az elektródfóliából való eltávolításához szükséges amplitúdójú speciális szobrotródák könnyen rendelkezésre állnak. Mivel az akusztikus kavitáció intenzitása csökken a szonotród és az elektróda közötti növekvő távolság növekedésével, a szonotród és az elektróda közötti folyamatosan egyenletes távolság kedvező. Ez azt jelenti, hogy az elektródalapot szorosan a szonotróda csúcsa alá kell mozgatni, ahol a nyomáshullámok erősek és a kavitációs sűrűség magas. A speciális szonotródák kínálnak szélesebb szélessége, mint a standard hengeres ultrahangos szonda, Hielscher Ultrasonics kínál hatékony megoldást egységes delaminálására elektróda lapok elektromos járművek. Például a tasakcellás elektromos jármű (EV) akkumulátorokban használt elektródák szélessége általában kb. 20 cm. Az azonos szélességű szonotroda egyenletesen továbbítja az akusztikus kavitációt az egész elektróda felületén. Ezáltal másodperceken belül az aktív anyag rétegei felszabadulnak az oldószerbe, és kivonhatók és porrá tisztíthatók. Ez a por újra felhasználható új akkumulátorok előállításához.
Az Egyesült Királyság Faraday Intézetének kutatócsoportja arról számol be, hogy az aktív anyagrétegek eltávolítása a LIB elektródából kevesebb, mint 10 másodperc alatt elvégezhető, ha az elektróda közvetlenül egy nagy teljesítményű sonotrode alatt helyezkedik el (1000-2000 W, pl. UIP1000hdT vagy UIP2000hdT). Az ultrahangos kezelés során az aktív anyagok és az áramgyűjtők közötti ragasztókötések megszakadnak, így egy későbbi tisztítási lépésben egy ép áramgyűjtő és porított hatóanyag visszanyerhető.

Képek, amelyek az ultrahang hatását mutatják a következők hátoldalán: a) lítium-ion akkumulátor anódlemez és b) lítium-ion akkumulátor katódlemez. Az anódot 0,05 M citromsav oldatban delaminálták; a katódot 0,1 M NaOH oldatban delaminálták. A szonotródé átmérője 20 mm volt, 120 W/cm2 teljesítményintenzitással 3 másodpercig, 2,5 mm-re a szonotródától. A minta mérete 3 cm x 3 cm volt.
(tanulmány és képek: Lei et al., 2021)

Ultrahangos adagolók elektróda delamináláshoz

Hielscher Ultrasonics tervez, gyárt és forgalmaz nagy teljesítményű ultrahangos processzorok, amelyek működnek a 20kHz tartományban. Hielscher ultrahangos’ az ipari ultrahangos készülékek nagy teljesítményű ultrahang processzorok, amelyek nagyon nagy amplitúdókat képesek szállítani az igényes alkalmazásokhoz. Az akár 200 μm-es amplitúdók könnyen működtethetők folyamatosan a nap 24 órájában. A még nagyobb amplitúdók, testreszabott ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre. Az elektródák folyamatos delaminálási folyamatához a Hielscher számos szabványos és testreszabott szonotródát kínál. A szonotródák mérete az elektróda anyagának méretéhez és szélességéhez igazítható, ezáltal az optimális folyamatfeltételeket célozva meg a nagy áteresztőképesség és a kiváló helyreállítás érdekében.

Irodalom / Referenciák