Elektródák újrahasznosítása – rendkívül hatékonyan, ultrahangos delaminálással

Az elektródák ultrahangos delaminálása lehetővé teszi az aktív anyagok, például a lítium, a nikkel, a mangán, a kobalt stb. másodperceken belüli visszanyerését. Az elektródák ultrahangos delaminálása így gyorsabbá, környezetbaráttá és jelentősen kevésbé energiaigényessé teszi az újrafelhasználható anyagok akkumulátorokból történő visszanyerését. Kutatások már bizonyították, hogy az ultrahangos delaminálás 100-szor gyorsabb lehet a hagyományos újrahasznosítási technikáknál.

A nagy teljesítményű ultrahang javítja az aktív anyagok elektródákból történő visszanyerését

Az elektródák ultrahanggal segített delaminálása gyors, hatékony és fenntartható megoldást kínál az aktív anyagok és a fólia visszanyerésére. Az elektróda ezen részei értékes anyagok, amelyek új akkumulátorok gyártásához újra felhasználhatók. Az ultrahangos delaminálás nemcsak jelentősen energiahatékonyabb a hidrometallurgiai és pirometallurgiai újrahasznosítási eljárásoknál, hanem nagyobb tisztaságú anyagokat is eredményez.

Akkumulátorok újrahasznosítása: elektródák szétválasztása és delaminálása

A lítiumion-akkumulátorok (LIB) újrahasznosításának célja az értékes anyagok visszanyerése. Az elektródák értékes és ritka anyagokat, például lítiumot, nikkelt, mangánt, kobaltot stb. tartalmaznak, amelyek folyamatos ultrahangos delaminálási eljárással hatékonyan visszanyerhetők. A szondával (szonotródával) felszerelt ultrahangos processzorok nagy amplitúdókat képesek létrehozni. Az amplitúdó ultrahanghullámokat közvetít a folyékony közegbe (pl. oldószerfürdőbe), ahol a váltakozó nagy nyomású / kis nyomású ciklusok hatására apró vákuumbuborékok keletkeznek. Ezek a vákuumbuborékok néhány ciklus alatt addig növekednek, amíg el nem érik azt a méretet, amelynél már nem tudnak további energiát elnyelni. Ekkor a buborékok hevesen összeroppannak. A buborékok összeroppanása helyileg nagy energiasűrűségű környezetet hoz létre, akár 280m/s sebességű folyadéksugarakkal, intenzív turbulenciával, igen magas hőmérséklettel (kb. 5 000K), nyomással (kb. 2 000atm), valamint ennek megfelelő hőmérséklet- és nyomáskülönbségekkel.
Az ultrahang által kiváltott buborék-összeroppanás jelenségét akusztikus kavitációnak nevezik. Az akusztikus kavitáció hatásai eltávolítják az aktív anyag kompozit rétegét az áramgyűjtő fóliáról, amelyet mindkét oldalán ez a kompozit réteg borít. Az aktív anyag főként lítium-mangán-oxid (LMO) és lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid (LiNiMnCoO2 vagy NMC) por keverékét, valamint vezetőképes adalékanyagként kormot tartalmaz.
Az ultrahangos delaminálás mechanizmusa olyan fizikai erőkön alapul, amelyek képesek molekuláris kötéseket felbontani. A nagy teljesítményű ultrahang intenzitása miatt gyakran enyhébb oldószerek is elegendők az aktív anyag rétegeinek fóliáról vagy áramgyűjtőről történő eltávolításához. Az elektróda ultrahangos delaminálása így gyorsabb, környezetbarát és jelentősen kevésbé energiaigényes.

Pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) felvételek, amelyek az elektróda aktív anyagának ultrahangos delaminálás hatására bekövetkező morfológiai változásait mutatják. Minden felvétel 5000x nagyítással és 10 kV gerjesztési energiával készült. a) katódanyag delaminálás előtt, b) delaminált katódaktív anyag, c) anódanyag delaminálás előtt és d) delaminált anódanyag.
(tanulmány és képek: Lei et al., 2021)

Akkumulátorok aprítása és elektródák szétválasztása

Az aktív anyag visszanyeréséhez vizes vagy szerves oldószereket használnak a fémfólia, a polimer kötőanyag és/vagy az aktív anyag feloldására. Az eljárás kialakítása és menete jelentősen befolyásolja az anyagvisszanyerés végső eredményét. A hagyományos akkumulátor-újrahasznosítási eljárás magában foglalja az akkumulátormodulok aprítását. Az aprított részeket azonban nehéz különálló összetevőkre szétválasztani. Az aprított tömegből az aktív/értékes anyag kinyerése összetett feldolgozást igényel. A visszanyert aktív anyagok újrafelhasználásához bizonyos fokú tisztaság szükséges. Az aprított akkumulátortömegből a nagy tisztaságú anyagok visszanyerése összetett eljárásokat és agresszív oldószereket igényel, ezért költséges. Az ultrahangos kioldást sikeresen alkalmazzák az aprított lítiumion-akkumulátorokból történő aktívanyag-visszanyerés fokozására és eredményeinek javítására.
A hagyományos aprítás alternatívájaként az elektródák szétválasztása hatékony akkumulátor-újrahasznosítási eljárásnak bizonyult, amely jelentősen javíthatja a kinyert anyagok tisztaságát. Az elektródák szétválasztásához az akkumulátort fő alkotórészeire bontják. Mivel az elektródák tartalmazzák az értékes anyagok legnagyobb hányadát, az elektródát elkülönítik és kémiai kezelésnek vetik alá, hogy az aktív anyagokat (lítium, nikkel, mangán, kobalt …) leoldják a bevont fóliáról vagy áramgyűjtőről. Az ultrahangos kezelés jól ismert az akusztikus kavitáció által kiváltott intenzív hatásairól. Az ultrahang mechanikai erői elegendő rezgést és nyíróhatást fejtenek ki a fóliára rétegzett aktív anyagok eltávolításához. (A bevont fólia szerkezete egy szendvicshez hasonló: a fólia középen helyezkedik el, az aktív anyag rétege pedig a külső felületet alkotja.)
Az elektródák szétválasztása az aprításnál életképesebb megoldást jelentene, ha autonóm szétszereléssel együtt alkalmaznák, lehetővé téve a tisztább hulladékáramokat és a nagyobb értékmegőrzést az ellátásban

Ultrahangos szonotródák elektródák delaminálásához

Könnyen beszerezhetők olyan speciális szonotródák, amelyek biztosítják az aktív anyagok elektródafóliáról történő eltávolításához szükséges amplitúdót. Mivel az akusztikus kavitáció intenzitása a szonotróda és az elektróda közötti távolság növekedésével csökken, előnyös folyamatosan egyenletes távolságot tartani a szonotróda és az elektróda között. Ez azt jelenti, hogy az elektródalapot a szonotróda csúcsa alatt, ahhoz közel kell mozgatni, ahol a nyomáshullámok erősek és a kavitáció sűrűsége nagy. A szabványos hengeres ultrahangos szondánál szélesebb speciális szonotródákkal a Hielscher Ultrasonics hatékony megoldást kínál az elektromos járművekből származó elektródalapok egyenletes delaminálására. Például az elektromos járművek (EV) tasakcellás akkumulátoraiban használt elektródák szélessége jellemzően kb. 20 cm. Az azonos szélességű szonotróda az elektróda teljes felületén egyenletesen közvetíti az akusztikus kavitációt. Így az aktív anyag rétegei másodperceken belül az oldószerbe kerülnek, ahonnan kinyerhetők és tisztított porrá alakíthatók. Ez a por új akkumulátorok gyártásához újra felhasználható.
Az egyesült királyságbeli Faraday Institution kutatócsoportja arról számol be, hogy az aktív anyag rétegeinek eltávolítása a LIB-elektródáról kevesebb mint 10 s alatt elvégezhető, ha az elektróda közvetlenül egy nagy teljesítményű szonotróda alatt helyezkedik el (1000–2000 W, pl. UIP1000hdT vagy UIP2000hdT). Az ultrahangos kezelés során az aktív anyagok és az áramgyűjtők közötti tapadási kötések felbomlanak, így egy ezt követő tisztítási lépésben ép áramgyűjtő és porított aktív anyag nyerhető vissza.

Képek, amelyek az ultrahang hatását mutatják a következők hátoldalán: a) lítiumion-akkumulátor anódlapja és b) lítiumion-akkumulátor katódlapja. Az anód delaminálását 0,05 M citromsavoldatban, a katód delaminálását 0,1 M NaOH-oldatban végezték. A szonotróda átmérője 20 mm volt; 120 W/cm2 teljesítményintenzitást alkalmaztak 3 másodpercig, a szonotródától 2,5 mm távolságban. A minta mérete 3 cm x 3 cm volt.
(tanulmány és képek: Lei et al., 2021)

Ultrahangos készülékek elektródák delaminálásához

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos processzorokat tervez, gyárt és forgalmaz, amelyek a 20kHz tartományban működnek. A Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos készülékei nagy teljesítményű ultrahangos processzorok, amelyek igen nagy amplitúdókat képesek biztosítani az igényes alkalmazásokhoz. Akár 200µm amplitúdó is könnyen fenntartható folyamatos, 24/7 üzemelés során. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi kialakítású ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre. Az elektródák folyamatos delaminálási eljárásához a Hielscher szabványos és egyedi kialakítású szonotródák széles választékát kínálja. A szonotróda mérete az elektródaanyag méretéhez és szélességéhez igazítható, ezáltal optimális eljárási feltételek célozhatók meg a nagy feldolgozási kapacitás és a kiemelkedő visszanyerés érdekében.

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.