Daur Ulang Elektrode – Sangat Efisien dengan Delaminasi Ultrasonik

Delaminasi ultrasonik elektrode memungkinkan pemulihan bahan aktif seperti litium, nikel, mangan, kobalt, dll. dalam hitungan detik. Dengan demikian, delaminasi ultrasonik elektrode menjadikan pemulihan bahan yang dapat digunakan kembali dari baterai lebih cepat, ramah lingkungan, dan jauh lebih hemat energi. Penelitian telah membuktikan bahwa delaminasi ultrasonik dapat berlangsung 100 kali lebih cepat daripada teknik daur ulang konvensional.

Ultrasonik Berdaya Tinggi Meningkatkan Pemulihan Bahan Aktif dari Elektrode

Delaminasi elektrode berbantuan ultrasonik menawarkan pendekatan yang cepat, efisien, dan berkelanjutan untuk memulihkan bahan aktif dan foil. Bagian-bagian elektrode ini merupakan bahan berharga yang dapat digunakan kembali untuk pembuatan baterai baru. Delaminasi ultrasonik tidak hanya jauh lebih hemat energi daripada proses daur ulang hidrometalurgi dan pirometalurgi, tetapi juga menghasilkan bahan dengan kemurnian lebih tinggi.

Daur Ulang Baterai: Pemisahan dan Delaminasi Elektrode

Daur ulang baterai ion litium (LIB) bertujuan untuk memulihkan bahan berharga. Elektrode mengandung bahan berharga dan langka seperti litium, nikel, mangan, kobalt, dll., yang dapat dipulihkan secara efisien menggunakan proses delaminasi ultrasonik kontinu. Prosesor ultrasonik yang dilengkapi dengan probe (sonotrode) dapat menghasilkan amplitudo besar. Amplitudo tersebut mentransmisikan gelombang ultrasonik ke dalam medium cair (misalnya, bak pelarut), tempat terbentuknya gelembung vakum sangat kecil akibat siklus tekanan tinggi / tekanan rendah yang bergantian. Gelembung vakum ini membesar selama beberapa siklus hingga mencapai ukuran yang membuatnya tidak dapat menyerap energi lagi. Pada titik ini, gelembung tersebut mengalami implosi hebat. Implosi gelembung menghasilkan lingkungan lokal dengan kepadatan energi sangat tinggi, disertai semburan cairan dengan kecepatan hingga 280m/s, turbulensi intens, suhu sangat tinggi (sekitar 5.000K), tekanan (sekitar 2.000atm), serta perbedaan suhu dan tekanan yang menyertainya.
Fenomena implosi gelembung yang dipicu secara ultrasonik ini dikenal sebagai kavitasi akustik. Efek kavitasi akustik melepaskan film komposit bahan aktif dari kolektor arus berbentuk foil, yang kedua sisinya dilapisi film komposit tersebut. Bahan aktif sebagian besar mengandung campuran serbuk litium mangan oksida (LMO) dan litium nikel mangan kobalt oksida (LiNiMnCoO2 atau NMC), serta karbon hitam sebagai aditif konduktif.
Mekanisme delaminasi ultrasonik didasarkan pada gaya fisik yang mampu memutus ikatan molekuler. Berkat intensitas ultrasonik berdaya tinggi, pelarut yang lebih ringan sering kali sudah cukup untuk melepaskan lapisan bahan aktif dari foil atau kolektor arus. Dengan demikian, delaminasi ultrasonik elektrode lebih cepat, ramah lingkungan, dan jauh lebih hemat energi.

Citra mikroskopi elektron pemindaian (SEM) yang menunjukkan perubahan morfologi bahan aktif elektrode setelah delaminasi ultrasonik. Semua citra diambil pada perbesaran 5000x dan energi eksitasi 10 kV. a) bahan katode sebelum delaminasi, b) bahan aktif katode yang telah didelaminasi, c) bahan anode sebelum delaminasi, dan d) bahan anode yang telah didelaminasi.
(penelitian dan gambar: Lei et al., 2021)

Pencacahan Baterai vs. Pemisahan Elektrode

Untuk pemulihan bahan aktif, pelarut berbasis air atau pelarut organik digunakan untuk melarutkan foil logam, pengikat polimer, dan/atau bahan aktif. Desain dan alur proses sangat memengaruhi hasil akhir pemulihan bahan. Proses daur ulang baterai tradisional melibatkan pencacahan modul baterai. Namun, komponen yang telah dicacah sulit dipisahkan menjadi komponen individual. Pemrosesan yang kompleks diperlukan untuk memperoleh bahan aktif/berharga dari massa hasil pencacahan. Agar bahan aktif yang dipulihkan dapat digunakan kembali, diperlukan tingkat kemurnian tertentu. Memperoleh bahan dengan kemurnian tinggi dari massa baterai yang telah dicacah melibatkan proses kompleks dan pelarut keras, sehingga biayanya mahal. Pelindian ultrasonik berhasil digunakan untuk mengintensifkan dan meningkatkan hasil pemulihan bahan aktif dari baterai ion litium yang telah dicacah.
Sebagai proses alternatif untuk pencacahan tradisional, pemisahan elektrode telah terbukti sebagai proses daur ulang baterai yang efektif dan dapat meningkatkan kemurnian bahan yang diperoleh secara signifikan. Untuk proses pemisahan elektrode, baterai dibongkar menjadi komponen-komponen utamanya. Karena elektrode mengandung bagian terbesar dari bahan berharga, elektrode dipisahkan dan diberi perlakuan kimia untuk melarutkan bahan aktif (litium, nikel, mangan, kobalt …) dari foil berlapis atau kolektor arus. Sonikasi dikenal luas karena efek intensnya yang ditimbulkan oleh kavitasi akustik. Gaya sonomekanis menghasilkan osilasi dan geser yang cukup untuk melepaskan bahan aktif yang dilapiskan pada foil. (Struktur foil berlapis mirip dengan roti lapis, dengan foil di tengah dan lapisan bahan aktif membentuk permukaan luarnya.)
Pemisahan elektrode akan menjadi pilihan yang lebih layak daripada pencacahan jika digunakan bersama pembongkaran otonom, sehingga memungkinkan aliran limbah yang lebih murni dan retensi nilai yang lebih besar dalam pasokan

Sonotrode Ultrasonik untuk Delaminasi Elektrode

Sonotrode khusus yang menghasilkan amplitudo yang diperlukan untuk melepaskan bahan aktif dari foil elektrode tersedia dengan mudah. Karena intensitas kavitasi akustik menurun seiring bertambahnya jarak antara sonotrode dan elektrode, mempertahankan jarak yang selalu seragam antara sonotrode dan elektrode akan menguntungkan. Artinya, lembaran elektrode sebaiknya digerakkan dekat di bawah ujung sonotrode, tempat gelombang tekanan kuat dan kepadatan kavitasi tinggi. Dengan sonotrode khusus yang lebih lebar daripada probe ultrasonik silindris standar, Hielscher Ultrasonics menawarkan solusi efisien untuk delaminasi seragam lembaran elektrode dari kendaraan listrik. Sebagai contoh, elektrode yang digunakan dalam baterai sel kantong kendaraan listrik (EV) biasanya memiliki lebar sekitar 20 cm. Sonotrode dengan lebar yang sama mentransmisikan kavitasi akustik secara seragam ke seluruh permukaan elektrode. Dengan demikian, dalam hitungan detik lapisan bahan aktif terlepas ke dalam pelarut dan dapat diekstraksi serta dimurnikan menjadi serbuk. Serbuk ini dapat digunakan kembali untuk produksi baterai baru.
Tim peneliti Faraday Institution di Britania Raya melaporkan bahwa pelepasan lapisan bahan aktif dari elektrode LIB dapat diselesaikan dalam waktu kurang dari 10 s ketika elektrode ditempatkan tepat di bawah sonotrode berdaya tinggi (1000 hingga 2000 W, misalnya UIP1000hdT atau UIP2000hdT). Selama perlakuan ultrasonik, ikatan adhesif antara bahan aktif dan kolektor arus terputus sehingga pada tahap pemurnian berikutnya, kolektor arus yang utuh dan bahan aktif berbentuk serbuk dapat dipulihkan.

Gambar yang menunjukkan efek ultrasonik pada sisi belakang: a) lembaran anode baterai ion litium, dan b) lembaran katode baterai ion litium. Anode didelaminasi dalam larutan asam sitrat 0,05 M; katode didelaminasi dalam larutan NaOH 0,1 M. Sonotrode berdiameter 20 mm, dengan intensitas daya 120 W/cm2 yang diterapkan selama 3 detik, pada jarak 2,5 mm dari sonotrode. Ukuran sampel adalah 3 cm x 3 cm.
(penelitian dan gambar: Lei et al., 2021)

Sonikator untuk Delaminasi Elektrode

Hielscher Ultrasonics merancang, memproduksi, dan mendistribusikan prosesor ultrasonik berkinerja tinggi yang bekerja pada kisaran 20kHz. Sonikator industri Hielscher Ultrasonics merupakan prosesor ultrasonik berdaya tinggi yang dapat menghasilkan amplitudo sangat tinggi untuk aplikasi yang menuntut kinerja tinggi. Amplitudo hingga 200µm dapat dengan mudah dijalankan secara kontinu dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang dibuat khusus. Untuk proses delaminasi elektrode secara kontinu, Hielscher menawarkan berbagai sonotrode standar maupun yang dibuat khusus. Ukuran sonotrode dapat disesuaikan dengan ukuran dan lebar bahan elektrode, sehingga dapat mencapai kondisi proses yang optimal untuk kapasitas pemrosesan yang tinggi dan pemulihan yang unggul.

Literatur / Referensi

• 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.