Daur Ulang Elektroda – Sangat Efisien dengan Delaminasi Ultrasonik

Delaminasi ultrasonik elektroda memungkinkan untuk memulihkan bahan aktif seperti lithium, nikel, mangan, kobalt dll dalam hitungan detik. Dengan demikian, delaminasi elektroda ultrasonik membuat pemulihan bahan yang dapat digunakan kembali dari baterai lebih cepat, hijau, dan secara signifikan kurang intensif energi. Penelitian telah membuktikan bahwa delaminasi ultrasonik bisa 100 kali lebih cepat daripada teknik daur ulang konvensional.

Ultrasound Daya Meningkatkan Pemulihan Bahan Aktif dari Elektroda

Ultrasonically-assited delaminasi elektroda menawarkan pendekatan yang cepat, efisien, dan berkelanjutan memulihkan bahan aktif dan foil. Bagian-bagian elektroda ini adalah bahan yang berharga, yang dapat digunakan kembali untuk pembuatan baterai baru. Delaminasi ultrasonik tidak hanya secara signifikan lebih hemat energi daripada proses daur ulang hidrometalurgi dan pyrometallurgical, mereka juga menghasilkan bahan dengan kemurnian yang lebih tinggi.

Daur Ulang Baterai: Pemisahan dan Delaminasi Elektroda

Daur ulang baterai lithium ion (LIB) bertujuan untuk memulihkan bahan-bahan berharga. Elektroda mengandung bahan berharga dan langka seperti lithium, nikel, mangan, kobalt dll, yang dapat dipulihkan secara efisien menggunakan proses delaminasi ultrasonik terus menerus. Prosesor ultrasonik dilengkapi dengan probe (sonotrode) dapat membuat amplitudo intens. Amplitudo mentransmisikan gelombang ultrasound ke dalam media cair (misalnya, bak pelarut), di mana karena siklus tekanan tinggi / tekanan rendah bergantian gelembung vakum menit muncul. Gelembung vakum ini tumbuh selama beberapa siklus, sampai mereka mencapai ukuran di mana mereka tidak dapat menyerap energi lebih lanjut. Pada titik ini, gelembung meledak dengan keras. Ledakan gelembung menghasilkan secara lokal lingkungan yang sangat padat energi dengan jet cair hingga kecepatan 280m / s, turbulensi intens, suhu yang sangat tinggi (sekitar 5.000K), tekanan (sekitar 2.000atm) dan sesuai perbedaan suhu dan tekanan.
Fenomena ledakan gelembung yang diinduksi secara ultrasonik ini dikenal kavitasi akustik. Efek kavitasi akustik menghilangkan film komposit bahan aktif dari kolektor arus foil, yang dilapisi di kedua sisi dengan film komposit. bahan aktif mengandung sebagian besar campuran lithium mangan oksida (LMO) dan lithium nikel mangan kobalt oksida (LiNiMnCoO2 atau NMC) bubuk serta karbon hitam sebagai aditif konduktif.
Mekanisme delaminasi ultrasonik didasarkan pada kekuatan fisik, yang mampu memutus ikatan molekul. Karena intensitas ultrasound daya seringkali pelarut yang lebih ringan cukup untuk menghilangkan lapisan bahan aktif dari foil atau kolektor saat ini. Dengan demikian, delaminasi ultrasonik elektroda lebih cepat, ramah lingkungan, dan secara signifikan kurang intensif energi.

Pemindaian gambar mikroskop elektron (SEM) yang menunjukkan perubahan morfologis pada bahan aktif elektroda pada delaminasi ultrasonik. Semua gambar diambil pada pembesaran 5000x dan energi eksitasi 10 kV. a) bahan katoda pra-delaminasi, b) bahan aktif katoda terdelaminasi, c) bahan anoda pra-delaminasi dan d) bahan anoda terdelaminasi.
(studi dan gambar: Lei et al., 2021)

Penghancur Baterai vs. Pemisahan Elektroda

Untuk pemulihan bahan aktif baik pelarut berair atau organik digunakan untuk melarutkan foil logam, pengikat polimer, dan / atau bahan aktif. Desain dan aliran proses mempengaruhi hasil akhir pemulihan material secara signifikan. Proses daur ulang baterai tradisional melibatkan shredding modul baterai. Namun, komponen robek sulit dipisahkan menjadi komponen individual. Ini membutuhkan pemrosesan yang kompleks untuk mendapatkan bahan aktif / berharga dari massa parut. Untuk menggunakan kembali bahan aktif yang dipulihkan, diperlukan tingkat kemurnian tertentu. Mengambil bahan yang sangat murni dari baterai parut massal melibatkan proses yang kompleks, pelarut yang keras dan karena itu mahal. Pencucian ultrasonik berhasil digunakan untuk mengintensifkan dan meningkatkan hasil pemulihan material aktif dari baterai lithium ion parut.
Sebagai proses alternatif untuk shredding tradisional, pemisahan elektroda telah terbukti sebagai proses daur ulang baterai yang berkhasiat yang secara signifikan dapat meningkatkan kemurnian bahan yang diperoleh. Untuk proses pemisahan elektroda, baterai dibongkar menjadi komponen utamanya. Karena elektroda mengandung bagian terbesar dari bahan berharga, elektroda dipisahkan dan diperlakukan secara kimia untuk melarutkan bahan aktif (lithium, nikel, mangan, kobalt ...) dari foil berlapis atau kolektor saat ini. Ultrasonication terkenal karena efek intens yang disebabkan oleh kavitasi akustik. Gaya sonomechanical menerapkan osilasi dan geser yang cukup untuk menghilangkan bahan aktif, yang dilapisi ke foil. (Struktur foil berlapis mirip dengan sandwich, foil di tengah dan lapisan bahan aktif membangun permukaan luar.)
pemisahan elektroda akan membuat pilihan yang lebih layak daripada shredding, bila digunakan bersamaan dengan pembongkaran otonom, memungkinkan aliran limbah yang lebih murni dan retensi nilai yang lebih besar dalam pasokan.

Ultrasonic Sonotrodes untuk Delaminasi Elektroda

Sonotrodes khusus yang memberikan amplitudo yang diperlukan untuk menghilangkan bahan aktif dari foil elektroda sudah tersedia. Ketika intensitas kavitasi akustik menurun dengan meningkatnya jarak antara sonotrode dan elektroda, jarak yang terus seragam antara sonotrode dan elektroda menguntungkan. Ini berarti, lembaran elektroda harus dipindahkan erat di bawah ujung sonotrode, di mana gelombang tekanan kuat dan kepadatan kavitasi tinggi. Dengan sonotrodes khusus yang menawarkan lebar yang lebih luas daripada probe ultrasonik silinder standar, Hielscher Ultrasonics menawarkan solusi efisien untuk delaminasi seragam lembaran elektroda dari kendaraan listrik. Misalnya, elektroda yang digunakan dalam baterai kendaraan listrik sel kantong (EV) biasanya memiliki lebar sekitar 20 cm. Sonotrode dengan lebar yang sama mentransmisikan kavitasi akustik secara seragam di seluruh permukaan elektroda. Dengan demikian, dalam hitungan detik lapisan bahan aktif dilepaskan ke dalam pelarut dan dapat diekstraksi dan dimurnikan menjadi bubuk. Bubuk ini dapat digunakan kembali untuk produksi baterai baru.
Tim peneliti dari Lembaga Faraday Inggris melaporkan bahwa penghapusan lapisan bahan aktif dari elektroda LIB dapat diselesaikan dalam waktu kurang dari 10 detik ketika elektroda terletak tepat di bawah sonotrode daya tinggi (1000 hingga 2000 W, misalnya. UIP1000hdT atau UIP2000hdT). Selama perawatan ultrasonik ikatan perekat antara bahan aktif dan kolektor saat ini rusak sehingga dalam langkah pemurnian berikutnya kolektor arus utuh dan bahan aktif bubuk dapat dipulihkan.

Gambar yang menunjukkan efek ultrasound di sisi belakang: a) lembar anoda baterai lithium ion, dan b) lembaran katoda baterai lithium ion. Anoda didelaminasi dalam larutan asam sitrat 0,05 M; katoda didelaminasi dalam larutan 0,1 M NaOH. Sonotrode berdiameter 20 mm, dengan intensitas daya 120 W / cm2 diterapkan selama 3 detik, pada 2,5 mm dari sonotrode. Ukuran sampel adalah 3 cm x 3 cm.
(studi dan gambar: Lei et al., 2021)

Ultrasonicators untuk Delaminasi Elektroda

Hielscher Ultrasonics merancang, memproduksi dan mendistribusikan prosesor ultrasonik berkinerja tinggi, yang bekerja dalam kisaran 20kHz. Ultrasonik Hielscher’ Ultrasonicators industri adalah prosesor ultrasound berdaya tinggi yang dapat memberikan amplitudo yang sangat tinggi untuk aplikasi yang menuntut. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah terus dijalankan dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrodes ultrasonik yang disesuaikan tersedia. Untuk proses delaminasi elektroda yang berkelanjutan, Hielscher menawarkan berbagai sonotrodes standar serta disesuaikan. Ukuran sonotrode dapat disesuaikan dengan ukuran dan lebar bahan elektroda, sehingga menargetkan kondisi proses optimal untuk throughput tinggi dan pemulihan yang unggul.

Literatur/referensi