Elektróda újrahasznosítás – Nagyon hatékony ultrahangos delaminációval

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

A teljesítmény ultrahang javítja az aktív anyagok visszanyerését az elektródákból

Az elektródák ultrahangos asszisztált delaminációja gyors, hatékony és fenntartható megközelítést kínál az aktív anyagok és a fólia visszanyerésére. Az elektróda ezen részei értékes anyagok, amelyek újra felhasználhatók új akkumulátorok gyártásához. Az ultrahangos delamináció nemcsak lényegesen energiahatékonyabb, mint a hidrometallurgiai és pirometallurgiai újrahasznosítási folyamatok, hanem nagyobb tisztaságú anyagokban is termelnek.

Az akkumulátor újrahasznosítása: elektródák szétválasztása és rétegződése

A lítium-ion akkumulátorok (LIB) újrahasznosításának célja az értékes anyagok visszanyerése. Az elektródák értékes és ritka anyagokat tartalmaznak, például lítiumot, nikkelt, mangánt, kobaltot stb., Amelyek hatékonyan visszanyerhetők folyamatos ultrahangos delaminációs eljárással. A szondával (sonotrode) felszerelt ultrahangos processzorok intenzív amplitúdókat hozhatnak létre. Az amplitúdó ultrahanghullámokat továbbít a folyékony közegbe (pl. Oldószerfürdő), ahol a váltakozó nagynyomású / alacsony nyomású ciklusok miatt apró vákuumbuborékok keletkeznek. Ezek a vákuumbuborékok néhány ciklus alatt növekednek, amíg el nem érik azt a méretet, hogy nem képesek további energiát elnyelni. Ezen a ponton a buborékok hevesen összeomlanak. A buborék implózió lokálisan rendkívül energiasűrű környezetet hoz létre akár 280 m/s sebességű folyadéksugarakkal, intenzív turbulenciákkal, nagyon magas hőmérsékletekkel (kb. 5000 K), nyomásokkal (kb. 2 000 atm) és ennek megfelelően hőmérséklet- és nyomáskülönbségekkel.
Ez az ultrahanggal indukált buborék implózió jelensége ismert akusztikus kavitáció. Az akusztikus kavitáció hatásai eltávolítják az aktív anyag kompozit filmjét a fóliaáram-gyűjtőből, amely mindkét oldalán a kompozit filmmel van bevonva. Az aktív anyag többnyire lítium-mangán-oxid (LMO) és lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid (LiNiMnCoO2 vagy NMC) por keverékét, valamint kormot tartalmaz vezetőképes adalékként.
Az ultrahangos delamináció mechanizmusa fizikai erőkön alapul, amelyek képesek megszakítani a molekuláris kötéseket. A teljesítmény-ultrahang intenzitása miatt gyakran enyhébb oldószerek elegendőek az aktív anyag rétegeinek eltávolításához a fóliából vagy az áramgyűjtőből. Ezáltal az elektróda ultrahangos delaminációja gyorsabb, környezetbarát és lényegesen kevésbé energiaigényes.

Pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) képek, amelyek az elektróda aktív anyagának morfológiai változásait mutatják ultrahangos delaminációkor. Minden kép 5000-szeres nagyítással és 10 kV-os gerjesztési energiával készült. a) katódanyag elődelaminálása, b) rétegletetett katódaktív anyag, c) anódanyag előrétegzése és d) rétegletetett anódanyag.
(tanulmány és képek: Lei et al., 2021)

Akkumulátor aprítás vs. elektróda szétválasztás

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 anyaghasznosítás végeredményét. A hagyományos akkumulátor-újrahasznosítási folyamat magában foglalja az akkumulátormodulok aprítását. Az aprított komponenseket azonban nehéz szétválasztani az egyes összetevőkre. Komplex feldolgozást igényel annak érdekében, hogy aktív/értékes anyagot nyerjünk az aprított tömegből. A visszanyert hatóanyagok újrafelhasználásához bizonyos fokú tisztaság szükséges. A nagy tisztaságú anyagok kinyerése az aprított akkumulátorok ömlesztett részéből összetett folyamatokat és kemény oldószereket igényel, ezért drága. Az ultrahangos kioldódást sikeresen használják az aprított lítium-ion akkumulátorok aktív anyag-visszanyerésének eredményeinek fokozására és javítására.
A hagyományos aprítás alternatívájaként az elektródák szétválasztása hatékony akkumulátor-újrahasznosítási folyamatnak bizonyult, amely jelentősen javíthatja a kapott anyagok tisztaságát. Az elektródaelválasztási folyamathoz az akkumulátort szétszerelik fő alkatrészeire. Mivel az elektródák nagy arányban értékes anyagot tartalmaznak, az elektródot elválasztják és kémiailag kezelik, hogy feloldják az aktív anyagokat (lítium, nikkel, mangán, kobalt ...) a bevont fóliából vagy áramgyűjtőből. Az ultrahangos kezelés jól ismert az akusztikus kavitáció által okozott intenzív hatásairól. A szonomechanikai erők elegendő oszcillációt és nyírást alkalmaznak az aktív anyagok eltávolításához, amelyek a fóliára vannak rétegezve. (A bevont fólia szerkezete hasonló a szendvicshez, a fólia középen és az aktív anyagréteg építette a külső felületet.)
Az elektródák szétválasztása életképesebb megoldást jelentene, mint az aprítás, ha autonóm szétszereléssel együtt alkalmazzák, lehetővé téve a tisztább hulladékáramokat és a nagyobb értékmegőrzést az ellátásban

Ultrahangos szonotródák elektróda delaminációhoz

Speciális sonotrodák, amelyek biztosítják a szükséges amplitúdót, hogy eltávolítsák az aktív anyagokat az elektródafóliából, könnyen elérhetők. Mivel az akusztikus kavitáció intenzitása csökken a sonotrode és az elektróda közötti távolság növekedésével, a sonotrode és az elektróda közötti folyamatosan egyenletes távolság kedvező. Ez azt jelenti, hogy az elektródát szorosan a sonotrode csúcs alatt kell mozgatni, ahol a nyomáshullámok erősek és a kavitációs sűrűség magas. A speciális sonotrodes szélesebb szélességet kínál, mint a standard hengeres ultrahangos szonda, Hielscher Ultrasonics hatékony megoldást kínál az elektródlemezek egyenletes delaminációjára elektromos járművekből. Például a tasakcellás elektromos járművek (EV) akkumulátoraiban használt elektródák szélessége jellemzően kb. 20 cm. Az azonos szélességű sonotrode egyenletesen továbbítja az akusztikus kavitációt az elektróda teljes felületén. Ezáltal másodperceken belül az aktív anyag rétegei felszabadulnak az oldószerbe, és kivonhatók és porrá tisztíthatók. Ez a por újra felhasználható új akkumulátorok gyártásához.
Az Egyesült Királyság Faraday Intézetének kutatócsoportja arról számol be, hogy az aktív anyagrétegek eltávolítása a LIB elektródáról kevesebb, mint 10 másodperc alatt elvégezhető, ha az elektróda közvetlenül egy nagy teljesítményű szonotród 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 következő tisztítási lépésben ép áramgyűjtő és porított aktív anyag visszanyerhető.

Az ultrahang hatását bemutató képek a következők hátoldalán: a) lítium-ion akkumulátor anódlemeze és b) lítium-ion akkumulátor katódlemeze. Az anódot 0,05 M citromsav oldatában delamináltuk; a katódot 0,1 M NaOH oldatban delamináltuk. A sonotrode átmérője 20 mm volt, 120 W / cm2 teljesítményintenzitással 3 másodpercig, 2,5 mm-re a sonotrode-tól. A minta mérete 3 cm x 3 cm volt.
(tanulmány és képek: Lei et al., 2021)

Ultrahangos készülékek elektróda delaminációhoz

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos processzorokat tervez, gyárt és forgalmaz, amelyek a 20kHz tartományban működnek. Hielscher Ultrasonics’ Az ipari ultrahangos készülékek nagy teljesítményű ultrahangos processzorok, amelyek nagyon nagy amplitúdókat tudnak biztosítani igényes alkalmazásokhoz. Akár 200 μm-es amplitúdók is könnyedén működtethetők folyamatosan 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdók esetén testreszabott ultrahangos sonotrodes áll rendelkezésre. Az elektródák folyamatos delaminációs folyamatához a Hielscher számos szabványos és testreszabott sonotrodes-t kínál. A sonotrode mérete az elektróda anyagának méretéhez és szélességéhez igazítható, ezáltal az optimális folyamatfeltételeket célozza meg a nagy teljesítmény és a kiváló visszanyerés érdekében.

Irodalom / Hivatkozások