Էլեկտրոդների վերամշակում – Բարձր արդյունավետություն ուլտրաձայնային շերտազատմամբ

Էլեկտրոդների ուլտրաձայնային շերտազատումը թույլ է տալիս վայրկյանների ընթացքում վերականգնել ակտիվ նյութերը, ինչպիսիք են լիթիումը, նիկելը, մանգանը, կոբալտը և այլն: Այսպիսով, էլեկտրոդների ուլտրաձայնային շերտազատումը դարձնում է մարտկոցներից բազմակի օգտագործման նյութերի վերականգնումը ավելի արագ, կանաչ և զգալիորեն ավելի քիչ էներգատար: Հետազոտությունն արդեն ապացուցել է, որ ուլտրաձայնային շերտազատումը կարող է 100 անգամ ավելի արագ լինել, քան սովորական վերամշակման մեթոդները:

Ուլտրաձայնային հզորությունը բարելավում է էլեկտրոդներից ակտիվ նյութերի վերականգնումը

Էլեկտրոդների ուլտրաձայնային շերտազատումն առաջարկում է ակտիվ նյութերի և փայլաթիթեղի վերականգնման արագ, արդյունավետ և կայուն մոտեցում: Էլեկտրոդի այս մասերը արժեքավոր նյութեր են, որոնք կարող են կրկին օգտագործվել նոր մարտկոցների արտադրության համար։ Ուլտրաձայնային շերտազատումը ոչ միայն զգալիորեն ավելի էներգաարդյունավետ է, քան հիդրոմետալուրգիական և պիրոմետալուրգիական վերամշակման պրոցեսները, դրանք նաև տալիս են ավելի բարձր մաքրության նյութեր:

Մարտկոցների վերամշակում. էլեկտրոդների բաժանում և շերտազատում

Լիթիումի իոնային մարտկոցի (LIB) վերամշակման նպատակն է վերականգնել արժեքավոր նյութերը: Էլեկտրոդները պարունակում են թանկարժեք և հազվագյուտ նյութեր, ինչպիսիք են լիթիումը, նիկելը, մանգանը, կոբալտը և այլն, որոնք կարող են արդյունավետ կերպով վերականգնվել՝ օգտագործելով շարունակական ուլտրաձայնային շերտազատման գործընթացը: Ուլտրաձայնային պրոցեսորները, որոնք հագեցած են զոնդով (sonotrode) կարող են ստեղծել ինտենսիվ ամպլիտուդներ: Լայնությունը փոխանցում է ուլտրաձայնային ալիքները հեղուկ միջավայրի մեջ (օրինակ՝ լուծիչ բաղնիք), որտեղ բարձր ճնշման/ցածր ճնշման փոփոխվող ցիկլերի պատճառով առաջանում են րոպեական վակուումային փուչիկներ։ Այս վակուումային փուչիկները աճում են մի քանի ցիկլերի ընթացքում, մինչև հասնեն այնպիսի չափի, որով նրանք չեն կարող այլ էներգիա կլանել: Այս պահին փուչիկները ուժգին պայթում են: Պղպջակների պայթյունը տեղական մակարդակում առաջացնում է էներգիայի բարձր խիտ միջավայր՝ մինչև 280 մ/վ արագությամբ հեղուկ շիթերով, ինտենսիվ տուրբուլենտներով, շատ բարձր ջերմաստիճաններով (մոտ 5000K), ճնշումներով (մոտ 2000 ատմ) և համապատասխանաբար ջերմաստիճանի և ճնշման տարբերությամբ:
Ուլտրաձայնային եղանակով առաջացած փուչիկների պայթյունի այս երևույթը հայտնի է ակուստիկ կավիտացիայով: Ակուստիկ կավիտացիայի հետևանքները հեռացնում են ակտիվ նյութի կոմպոզիտային թաղանթը փայլաթիթեղի հոսանքի կոլեկտորից, որը երկու կողմից պատված է կոմպոզիտային թաղանթով: Ակտիվ նյութը հիմնականում պարունակում է լիթիումի մանգան օքսիդի (LMO) և լիթիումի նիկել մանգան կոբալտի օքսիդի (LiNiMnCoO2 կամ NMC) փոշի խառնուրդ, ինչպես նաև ածխածնի սև՝ որպես հաղորդիչ հավելում։
Ուլտրաձայնային շերտազատման մեխանիզմը հիմնված է ֆիզիկական ուժերի վրա, որոնք ունակ են կոտրել մոլեկուլային կապերը: Ուլտրաձայնային հզորության ինտենսիվության պատճառով հաճախ ավելի մեղմ լուծիչները բավական են փայլաթիթեղից կամ ընթացիկ կոլեկտորից ակտիվ նյութի շերտերը հեռացնելու համար: Այսպիսով, էլեկտրոդի ուլտրաձայնային շերտազատումն ավելի արագ է, էկոլոգիապես մաքուր և զգալիորեն ավելի քիչ էներգատար:

Սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի (SEM) պատկերներ, որոնք ցույց են տալիս էլեկտրոդի ակտիվ նյութի մորֆոլոգիական փոփոխությունները ուլտրաձայնային շերտազատման ժամանակ: Բոլոր նկարներն արվել են 5000x խոշորացումով և 10 կՎ գրգռման էներգիայով: ա) կաթոդային նյութի նախնական շերտազատում, բ) շերտազատված կաթոդային ակտիվ նյութ, գ) անոդային նյութի նախնական շերտազատում և դ) շերտազատված անոդ նյութ:
(ուսումնասիրություն և նկարներ. Lei et al., 2021)

Մարտկոցի մանրացումն ընդդեմ էլեկտրոդի բաժանման

Ակտիվ նյութը վերականգնելու համար օգտագործվում են կամ ջրային կամ օրգանական լուծիչներ՝ մետաղական փայլաթիթեղը, պոլիմերային կապող նյութը և/կամ ակտիվ նյութը լուծելու համար: Գործընթացի ձևավորումը և հոսքը զգալիորեն ազդում են նյութի վերականգնման վերջնական արդյունքի վրա: Մարտկոցների վերամշակման ավանդական գործընթացը ներառում է մարտկոցի մոդուլների մանրացումը: Այնուամենայնիվ, մանրացված բաղադրիչները դժվար է բաժանել առանձին բաղադրիչների: Մանրացված զանգվածից ակտիվ/արժեքավոր նյութ ստանալու համար պահանջում է բարդ մշակում։ Վերականգնված ակտիվ նյութերը նորից օգտագործելու համար անհրաժեշտ է մաքրության որոշակի աստիճան: Մանրացված մարտկոցի զանգվածից բարձր մաքուր նյութերի դուրսբերումը ներառում է բարդ գործընթացներ, կոշտ լուծիչներ և, հետևաբար, թանկ է: Ուլտրաձայնային տարրալվացումը հաջողությամբ օգտագործվում է մանրացված լիթիումի իոնային մարտկոցներից ակտիվ նյութերի վերականգնման արդյունքները ուժեղացնելու և ուժեղացնելու համար:
Որպես ավանդական մանրացման այլընտրանքային գործընթաց, էլեկտրոդների բաժանումը ցուցադրվել է որպես մարտկոցների վերամշակման արդյունավետ գործընթաց, որը կարող է զգալիորեն բարելավել ստացված նյութերի մաքրությունը: Էլեկտրոդների բաժանման գործընթացի համար մարտկոցը ապամոնտաժվում է իր հիմնական բաղադրիչների մեջ: Քանի որ էլեկտրոդները պարունակում են արժեքավոր նյութերի ամենամեծ բաժինը, էլեկտրոդը առանձնացվում և քիմիապես մշակվում է, որպեսզի լուծարվեն ակտիվ նյութերը (լիթիում, նիկել, մանգան, կոբալտ…) ծածկված փայլաթիթեղից կամ ընթացիկ կոլեկտորից: Ultrasonication-ը լավ հայտնի է ակուստիկ կավիտացիայի հետևանքով առաջացած իր ինտենսիվ ազդեցություններով: Սոնոմեխանիկական ուժերը բավականաչափ տատանում և կտրում են ակտիվ նյութերը հեռացնելու համար, որոնք շերտավորվում են փայլաթիթեղի վրա: (Ծածկված փայլաթիթեղի կառուցվածքը նման է սենդվիչի, կենտրոնում գտնվող փայլաթիթեղը և արտաքին մակերեսը կառուցված ակտիվ նյութի շերտը):
էլեկտրոդների բաժանումը ավելի կենսունակ տարբերակ կդարձնի, քան մանրացնելը, երբ օգտագործվում է ինքնավար ապամոնտաժման հետ համատեղ, ինչը թույլ է տալիս ավելի մաքուր թափոնների հոսքեր և ավելի մեծ արժեք պահպանել մատակարարման մեջ:

Ուլտրաձայնային Sonotrodes էլեկտրոդների շերտազատման համար

Էլեկտրոդի փայլաթիթեղից ակտիվ նյութերը հեռացնելու համար անհրաժեշտ ամպլիտուդ տրամադրող հատուկ սոնոտրոդներ մատչելի են: Քանի որ ակուստիկ կավիտացիայի ինտենսիվությունը նվազում է սոնոտրոդի և էլեկտրոդի միջև հեռավորության մեծացման հետ, սոնոտրոդի և էլեկտրոդի միջև շարունակաբար միատեսակ հեռավորությունը բարենպաստ է: Սա նշանակում է, որ էլեկտրոդի թերթիկը պետք է սերտորեն տեղափոխվի սոնոտրոդի ծայրի տակ, որտեղ ճնշման ալիքներն ուժեղ են և կավիտացիայի խտությունը՝ բարձր: Հատուկ sonotrodes-ով, որոնք առաջարկում են ավելի լայն լայնություն, քան ստանդարտ գլանաձև ուլտրաձայնային զոնդը, Hielscher Ultrasonics-ն առաջարկում է արդյունավետ լուծում էլեկտրական մեքենաներից էլեկտրոդների թերթերի միասնական շերտազատման համար: Օրինակ, էլեկտրոդները, որոնք օգտագործվում են քսակ բջջային էլեկտրական մեքենաների (EV) մարտկոցներում, սովորաբար ունեն մոտավորապես մոտավորապես լայնություն: 20 սմ. Նույն լայնության սոնոտրոդը հավասարաչափ փոխանցում է ակուստիկ կավիտացիան ամբողջ էլեկտրոդի մակերեսին: Այսպիսով, վայրկյանների ընթացքում ակտիվ նյութի շերտերն ազատվում են լուծիչի մեջ և կարող են արդյունահանվել և մաքրվել փոշու մեջ: Այս փոշին կարող է կրկին օգտագործվել նոր մարտկոցների արտադրության համար։
Մեծ Բրիտանիայի Ֆարադեյ ինստիտուտի հետազոտական թիմը հայտնում է, որ ակտիվ նյութի շերտերի հեռացումը LIB էլեկտրոդից կարող է ավարտվել 10 վայրկյանից պակաս ժամանակում, երբ էլեկտրոդը գտնվում է անմիջապես բարձր հզորության սոնոտրոդի տակ (1000-ից 2000 Վտ, օրինակ. UIP1000hdT կամ UIP2000hdT) Ուլտրաձայնային բուժման ընթացքում ակտիվ նյութերի և ընթացիկ կոլեկտորների միջև կպչուն կապերը կոտրվում են, որպեսզի հետագա մաքրման քայլում հնարավոր լինի վերականգնել անձեռնմխելի ընթացիկ կոլեկտորը և փոշիացված ակտիվ նյութը:

Պատկերներ, որոնք ցույց են տալիս ուլտրաձայնի ազդեցությունը հետևի մասում. ա) լիթիումի իոնային մարտկոցի անոդ թերթիկի վրա և բ) լիթիումիոն մարտկոցի կաթոդի թերթիկի վրա։ Անոդը շերտազատվել է 0,05 M կիտրոնաթթվի լուծույթում; կաթոդը շերտազատվել է 0,1 Մ NaOH լուծույթում: Սոնոտրոդը 20 մմ տրամագծով էր, 120 Վտ/սմ2 հզորության ինտենսիվությունը կիրառվում էր 3 վայրկյանի ընթացքում, սոնոտրոդից 2,5 մմ հեռավորության վրա: Նմուշի չափը 3 սմ x 3 սմ էր:
(ուսումնասիրություն և նկարներ. Lei et al., 2021)

Ուլտրաձայնային սարքեր էլեկտրոդների շերտազատման համար

Hielscher Ultrasonics-ը նախագծում, արտադրում և տարածում է բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային պրոցեսորներ, որոնք աշխատում են 20 կՀց տիրույթում: Hielscher ուլտրաձայնային’ Արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը բարձր հզորության ուլտրաձայնային պրոցեսորներ են, որոնք կարող են շատ բարձր ամպլիտուդներ ապահովել պահանջկոտ ծրագրերի համար: Մինչև 200 մկմ ամպլիտուդները հեշտությամբ կարող են շարունակաբար աշխատել 24/7 աշխատանքի ընթացքում: Նույնիսկ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար մատչելի են հարմարեցված ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ: Էլեկտրոդների շարունակական շերտազատման գործընթացի համար Hielscher-ն առաջարկում է մի շարք ստանդարտ, ինչպես նաև հարմարեցված սոնոտրոդներ: Սոնոտրոդի չափը կարող է հարմարվել էլեկտրոդի նյութի չափին և լայնությանը, դրանով իսկ թիրախավորելով գործընթացի օպտիմալ պայմանները բարձր թողունակության և գերազանց վերականգնման համար:

Գրականություն / Հղումներ