Էլեկտրոդների վերամշակում – բարձր արդյունավետություն ուլտրաձայնային շերտազատմամբ

Էլեկտրոդների ուլտրաձայնային շերտազատումը թույլ է տալիս վայրկյանների ընթացքում վերականգնել այնպիսի ակտիվ նյութեր, ինչպիսիք են լիթիումը, նիկելը, մանգանը, կոբալտը և այլն։ Այսպիսով, էլեկտրոդների ուլտրաձայնային շերտազատումը մարտկոցներից բազմակի օգտագործման համար պիտանի նյութերի վերականգնումը դարձնում է ավելի արագ, էկոլոգիապես բարենպաստ և զգալիորեն պակաս էներգատար։ Հետազոտություններն արդեն ապացուցել են, որ ուլտրաձայնային շերտազատումը կարող է 100 անգամ ավելի արագ լինել, քան վերամշակման ավանդական մեթոդները։

Բարձր հզորության ուլտրաձայնը բարելավում է էլեկտրոդներից ակտիվ նյութերի վերականգնումը

Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ էլեկտրոդների շերտազատումն առաջարկում է ակտիվ նյութերի և նրբաթիթեղի վերականգնման արագ, արդյունավետ և կայուն մոտեցում։ Էլեկտրոդի այս բաղադրիչները 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 գործընթացները, այլև ապահովում է ավելի բարձր մաքրության նյութերի ստացում։

Մարտկոցների վերամշակում. էլեկտրոդների առանձնացում և շերտազատում

Լիթիում-իոնային մարտկոցների (LIB) վերամշակման նպատակը արժեքավոր նյութերի վերականգնումն է։ Էլեկտրոդները պարունակում են թանկարժեք և հազվագյուտ նյութեր, ինչպիսիք են լիթիումը, նիկելը, մանգանը, կոբալտը և այլն, որոնք կարող են արդյունավետորեն վերականգնվել ուլտրաձայնային շերտազատման անընդհատ գործընթացի միջոցով։ Զոնդով (սոնոտրոդով) հագեցած ուլտրաձայնային պրոցեսորները կարող են ստեղծել մեծ ամպլիտուդներ։ Ամպլիտուդը ուլտրաձայնային ալիքները փոխանցում է հեղուկ միջավայրին (օրինակ՝ լուծիչով լոգարանին), որտեղ բարձր և ցածր ճնշման հերթագայող ցիկլերի հետևանքով առաջանում են վակուումային մանր պղպջակներ։ Այս վակուումային պղպջակներն աճում են մի քանի ցիկլի ընթացքում, մինչև հասնում են այնպիսի չափի, որի դեպքում այլևս չեն կարող լրացուցիչ էներգիա կլանել։ Այդ պահին պղպջակները կտրուկ փլուզվում են դեպի ներս։ Պղպջակների փլուզումը տեղային կերպով ստեղծում է էներգիայի շատ բարձր խտությամբ միջավայր՝ մինչև 280m/s արագությամբ հեղուկի շիթերով, ինտենսիվ տուրբուլենտությամբ, շատ բարձր ջերմաստիճաններով (մոտ 5 000K), ճնշումներով (մոտ 2 000atm) և, համապատասխանաբար, ջերմաստիճանի ու ճնշման տարբերություններով։
Ուլտրաձայնով հարուցված պղպջակների՝ դեպի ներս փլուզման այս երևույթը հայտնի է որպես ակուստիկ կավիտացիա։ Ակուստիկ կավիտացիայի ազդեցությամբ ակտիվ նյութի կոմպոզիտային թաղանթը հեռացվում է նրբաթիթեղային հոսանքահավաքիչից, որը երկու կողմից պատված է այդ կոմպոզիտային թաղանթով։ Ակտիվ նյութը հիմնականում պարունակում է լիթիում-մանգանի օքսիդի (LMO) և լիթիում-նիկել-մանգան-կոբալտի օքսիդի (LiNiMnCoO2 կամ NMC) փոշու խառնուրդ, ինչպես նաև տեխնիկական ածխածին՝ որպես հաղորդիչ հավելանյութ։
Ուլտրաձայնային շերտազատման մեխանիզմը հիմնված է ֆիզիկական ուժերի վրա, որոնք ունակ են խզելու մոլեկուլային կապերը։ Բարձր հզորության ուլտրաձայնի ինտենսիվության շնորհիվ հաճախ ավելի մեղմ լուծիչները բավարար են նրբաթիթեղից կամ հոսանքահավաքիչից ակտիվ նյութի շերտերը հեռացնելու համար։ Այսպիսով, էլեկտրոդի ուլտրաձայնային շերտազատումն ավելի արագ է, շրջակա միջավայրի համար բարենպաստ և զգալիորեն պակաս էներգատար։

Սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակմամբ (SEM) ստացված պատկերներ, որոնք ցույց են տալիս ուլտրաձայնային շերտազատման ժամանակ էլեկտրոդի ակտիվ նյութի ձևաբանական փոփոխությունները։ Բոլոր պատկերներն ստացվել են 5000x խոշորացմամբ և 10 kV գրգռման էներգիայով։ a) կաթոդի նյութը շերտազատումից առաջ, b) կաթոդի շերտազատված ակտիվ նյութը, c) անոդի նյութը շերտազատումից առաջ և d) անոդի շերտազատված նյութը։
(հետազոտությունը և նկարները՝ Lei et al., 2021)

Մարտկոցների մանրատումը՝ էլեկտրոդների առանձնացման համեմատ

Ակտիվ նյութը վերականգնելու համար օգտագործվում են ջրային կամ օրգանական լուծիչներ՝ մետաղական փայլաթիթեղը, պոլիմերային կապակցանյութը և/կամ ակտիվ նյութը լուծելու նպատակով։ Գործընթացի նախագծումն ու ընթացքը զգալիորեն ազդում են նյութի վերականգնման վերջնական արդյունքի վրա։ Մարտկոցների վերամշակման ավանդական գործընթացը ներառում է մարտկոցների մոդուլների մանրացումը։ Սակայն մանրացված բաղադրիչները դժվար է բաժանել առանձին բաղադրիչների։ Մանրացված զանգվածից ակտիվ/արժեքավոր նյութ ստանալու համար պահանջվում է բարդ մշակում։ Վերականգնված ակտիվ նյութերը կրկին օգտագործելու համար անհրաժեշտ է մաքրության որոշակի աստիճան։ Մանրացված մարտկոցների զանգվածից բարձր մաքրության նյութերի ստացումը ներառում է բարդ գործընթացներ, ագրեսիվ լուծիչներ և, հետևաբար, թանկ է։ Ուլտրաձայնային տարրալվացումը հաջողությամբ կիրառվում է մանրացված լիթիումիոնային մարտկոցներից ակտիվ նյութի վերականգնումն ինտենսիվացնելու և դրա արդյունքները բարելավելու համար։
Որպես ավանդական մանրացման այլընտրանքային գործընթաց՝ էլեկտրոդների տարանջատումն իրեն դրսևորել է որպես մարտկոցների վերամշակման արդյունավետ գործընթաց, որը կարող է զգալիորեն բարձրացնել ստացված նյութերի մաքրությունը։ Էլեկտրոդների տարանջատման գործընթացի համար մարտկոցն ապամոնտաժվում է՝ բաժանվելով իր հիմնական բաղադրիչների։ Քանի որ էլեկտրոդները պարունակում են արժեքավոր նյութի ամենամեծ բաժինը, էլեկտրոդն առանձնացվում և ենթարկվում է քիմիական մշակման՝ պատված փայլաթիթեղից կամ հոսանքահավաքիչից ակտիվ նյութերը (լիթիում, նիկել, մանգան, կոբալտ …) լուծելու համար։ Ուլտրաձայնային մշակումը հայտնի է ակուստիկ կավիտացիայով պայմանավորված իր ինտենսիվ ազդեցություններով։ Սոնոմեխանիկական ուժերն ապահովում են բավարար տատանումներ և սահքի ազդեցություն՝ փայլաթիթեղի վրա շերտերով տեղակայված ակտիվ նյութերը հեռացնելու համար։ (Պատված փայլաթիթեղի կառուցվածքը նման է սենդվիչի. փայլաթիթեղը կենտրոնում է, իսկ ակտիվ նյութի շերտը կազմում է արտաքին մակերեսը։)
Էլեկտրոդների տարանջատումը մանրացման համեմատ ավելի կենսունակ տարբերակ կլիներ, եթե կիրառվեր ինքնավար ապամոնտաժման հետ համատեղ՝ հնարավորություն տալով ստանալ թափոնների ավելի մաքուր հոսքեր և ավելի մեծ չափով պահպանել արժեքը մատակարարման մեջ

Ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ էլեկտրոդների շերտազատման համար

Հեշտությամբ հասանելի են հատուկ սոնոտրոդներ, որոնք ապահովում են էլեկտրոդի փայլաթիթեղից ակտիվ նյութերը հեռացնելու համար անհրաժեշտ ամպլիտուդը։ Քանի որ սոնոտրոդի և էլեկտրոդի միջև հեռավորության մեծացման հետ ակուստիկ կավիտացիայի ինտենսիվությունը նվազում է, նպաստավոր է սոնոտրոդի և էլեկտրոդի միջև մշտապես նույն հեռավորության պահպանումը։ Սա նշանակում է, որ էլեկտրոդի թերթը պետք է շարժվի սոնոտրոդի ծայրի տակով՝ դրան մոտ, որտեղ ճնշման ալիքներն ուժեղ են, իսկ կավիտացիայի խտությունը՝ բարձր։ Ստանդարտ գլանաձև ուլտրաձայնային զոնդից ավելի լայն հատուկ սոնոտրոդներով Hielscher Ultrasonics ընկերությունն առաջարկում է արդյունավետ լուծում էլեկտրամեքենաների էլեկտրոդների թերթերի համաչափ շերտազատման համար։ Օրինակ՝ էլեկտրամեքենաների (EV) փաթեթային բջիջներով մարտկոցներում օգտագործվող էլեկտրոդները սովորաբար ունեն մոտ 20 cm լայնություն։ Նույն լայնության սոնոտրոդն ակուստիկ կավիտացիան համաչափ փոխանցում է էլեկտրոդի ամբողջ մակերեսով։ Դրա շնորհիվ ակտիվ նյութի շերտերը վայրկյանների ընթացքում անջատվում և անցնում են լուծիչի մեջ, որից հետո կարող են արդյունահանվել ու մաքրվել՝ փոշի ստանալու համար։ Այս փոշին կարող է կրկին օգտագործվել նոր մարտկոցների արտադրության համար։
Միացյալ Թագավորության Faraday Institution հաստատության հետազոտական խումբը հայտնում է, որ լիթիումիոնային մարտկոցի (LIB) էլեկտրոդից ակտիվ նյութի շերտերի հեռացումը կարող է ավարտվել 10 s-ից պակաս ժամանակում, երբ էլեկտրոդը գտնվում է անմիջապես բարձր հզորության սոնոտրոդի տակ (1000–2000 W, օրինակ՝ UIP1000hdT կամ UIP2000hdT)։ Ուլտրաձայնային մշակման ընթացքում ակտիվ նյութերի և հոսանքահավաքիչների միջև ադհեզիոն կապերը խզվում են, այնպես որ մաքրման հաջորդ փուլում հնարավոր է վերականգնել անվնաս հոսանքահավաքիչ և փոշենման ակտիվ նյութ։

Պատկերներ, որոնք ցույց են տալիս ուլտրաձայնի ազդեցությունը հետևյալ թիթեղների հակառակ կողմի վրա՝ ա) լիթիումիոնային մարտկոցի անոդի թիթեղի և բ) լիթիումիոնային մարտկոցի կաթոդի թիթեղի։ Անոդի շերտազատումն իրականացվել է 0,05 M կիտրոնաթթվի լուծույթում, իսկ կաթոդինը՝ 0,1 M NaOH լուծույթում։ Սոնոտրոդի տրամագիծը 20 mm էր, և 3 վայրկյան կիրառվել է 120 W/cm2 հզորության ինտենսիվություն՝ սոնոտրոդից 2,5 mm հեռավորության վրա։ Նմուշի չափը 3 cm x 3 cm էր։
(հետազոտություն և նկարներ՝ Lei et al., 2021)

Ուլտրաձայնային սարքեր՝ էլեկտրոդների շերտազատման համար

Hielscher Ultrasonics ընկերությունը նախագծում, արտադրում և մատակարարում է բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային մշակիչներ, որոնք աշխատում են 20kHz տիրույթում։ Hielscher Ultrasonics ընկերության արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը մեծ հզորությամբ ուլտրաձայնային մշակիչներ են, որոնք կարող են ապահովել շատ մեծ ամպլիտուդներ՝ բարձր պահանջներ ներկայացնող կիրառությունների համար։ Մինչև 200µm ամպլիտուդները կարելի է հեշտությամբ ապահովել անընդհատ՝ 24/7 աշխատանքային ռեժիմում։ Էլ ավելի մեծ ամպլիտուդների համար հասանելի են անհատական պահանջներին համապատասխան պատրաստվող ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ։ Էլեկտրոդների անընդհատ շերտազատման գործընթացի համար Hielscher ընկերությունն առաջարկում է ինչպես ստանդարտ, այնպես էլ անհատական պահանջներին համապատասխան պատրաստվող սոնոտրոդների տեսականի։ Սոնոտրոդի չափը կարելի է հարմարեցնել էլեկտրոդային նյութի չափին և լայնությանը՝ այդպիսով նպատակ ունենալով ապահովել գործընթացի օպտիմալ պայմաններ՝ բարձր արտադրողականության և վերականգնման գերազանց արդյունքների համար։

Գրականություն / Հղումներ

• 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.