Siklus Elektroda – Sangat Efisien dengan Delaminasi Ultrasonik

Delaminasi elektroda ultrasonik 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 dapat 100 kali lebih cepat daripada teknik daur ulang konvensional.

Power Ultrasound Meningkatkan Pemulihan Bahan Aktif dari Elektroda

Delaminasi elektroda yang dibantu secara ultrasonik menawarkan pendekatan yang cepat, efisien, dan berkelanjutan untuk memulihkan bahan aktif dan foil. Bagian-bagian elektroda ini adalah bahan berharga, yang dapat digunakan kembali untuk pembuatan baterai baru. Delaminasi ultrasonik tidak hanya secara signifikan lebih hemat energi daripada proses daur ulang hidrometalurgi dan pirometalurgi, tetapi 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 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 yang dilengkapi dengan probe (sonotrode) dapat menciptakan amplitudo yang intens. Amplitudo mentransmisikan gelombang ultrasound ke dalam media cair (misalnya, penangas pelarut), di mana karena siklus tekanan tinggi / tekanan rendah bergantian gelembung vakum menit muncul. Gelembung vakum ini tumbuh selama beberapa siklus, sampai mencapai ukuran di mana mereka tidak dapat menyerap energi lebih lanjut. Pada titik ini, gelembung meledak dengan keras. Ledakan gelembung menghasilkan lingkungan yang sangat padat energi secara lokal dengan jet cair hingga kecepatan 280m/s, turbulensi yang intens, suhu yang sangat tinggi (sekitar 5.000K), tekanan (sekitar 2.000atm) dan perbedaan suhu dan tekanan yang sesuai.
Fenomena ledakan gelembung yang diinduksi secara ultrasonik ini dikenal sebagai kavitasi akustik. Efek kavitasi akustik menghilangkan film komposit bahan aktif dari kolektor arus foil, yang dilapisi di kedua sisi dengan film komposit. bahan aktif sebagian besar mengandung campuran lithium mangan oksida (LMO) dan bubuk lithium nikel mangan kobalt oksida (LiNiMnCoO2 atau NMC) serta karbon hitam sebagai aditif konduktif.
Mekanisme delaminasi ultrasonik didasarkan pada gaya fisik, yang mampu memutus ikatan molekul. Karena intensitas ultrasonografi daya, seringkali pelarut yang lebih ringan cukup untuk menghilangkan lapisan bahan aktif dari foil atau kolektor arus. Dengan demikian, delaminasi elektroda ultrasonik lebih cepat, ramah lingkungan, dan secara signifikan kurang intensif energi.

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

Penghancuran 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 memengaruhi hasil akhir pemulihan material secara signifikan. Proses daur ulang baterai tradisional melibatkan penghancuran modul baterai. Namun, komponen yang diparut sulit untuk dipisahkan menjadi komponen individual. Ini membutuhkan pemrosesan yang kompleks untuk mendapatkan bahan aktif / berharga dari massa yang diparut. Untuk menggunakan kembali bahan aktif yang dipulihkan, diperlukan tingkat kemurnian tertentu. Mengambil bahan yang sangat murni dari baterai curah yang diparut melibatkan proses yang kompleks, pelarut yang keras, dan karenanya mahal. Pencucian ultrasonik berhasil digunakan untuk mengintensifkan dan meningkatkan hasil pemulihan bahan aktif dari baterai lithium ion yang diparut.
Sebagai proses alternatif untuk penghancuran tradisional, pemisahan elektroda telah terbukti sebagai proses daur ulang baterai yang efektif 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 diolah secara kimiawi untuk melarutkan bahan aktif (lithium, nikel, mangan, kobalt ...) dari foil berlapis atau kolektor arus. Ultrasonikasi terkenal karena efeknya yang intens yang disebabkan oleh kavitasi akustik. Gaya sonomekanis menerapkan osilasi dan geser yang cukup untuk menghilangkan bahan aktif, yang dilapisi pada 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 penghancuran, bila digunakan bersama dengan pembongkaran otonom, memungkinkan aliran limbah yang lebih murni dan retensi nilai yang lebih besar dalam pasokan

Sonotrodes Ultrasonik untuk Delaminasi Elektroda

Sonotrode khusus yang memberikan amplitudo yang diperlukan untuk menghilangkan bahan aktif dari foil elektroda sudah tersedia. Karena intensitas kavitasi akustik menurun dengan bertambahnya jarak antara sonotrode dan elektroda, jarak yang seragam terus menerus antara sonotrode dan elektroda menguntungkan. Ini berarti, lembaran elektroda harus dipindahkan dekat di bawah ujung sonotrode, di mana gelombang tekanan kuat dan kepadatan kavitasi tinggi. Dengan sonotrode khusus yang menawarkan lebar yang lebih luas daripada probe ultrasonik silinder standar, Hielscher Ultrasonics menawarkan solusi yang efisien untuk delaminasi seragam lembaran elektroda dari kendaraan listrik. Misalnya, elektroda yang digunakan dalam baterai kendaraan listrik (EV) sel kantong biasanya memiliki lebar sekitar 20 cm. Sontrode 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 arus terputus sehingga pada langkah pemurnian selanjutnya, kolektor arus utuh dan bahan aktif bubuk dapat dipulihkan.

Gambar yang menunjukkan efek ultrasound di sisi belakang dari: a) lembar anoda baterai lithium ion, dan b) lembar katoda baterai lithium ion. Anoda didelaminasi dalam larutan asam sitrat 0,05 M; katoda dilaminasi dalam larutan 0,1 M NaOH. Sontrode berdiameter 20 mm, dengan intensitas daya 120 W/cm2 diterapkan selama 3 detik, pada jarak 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’ Ultrasonicator industri adalah prosesor ultrasound berdaya tinggi yang dapat memberikan amplitudo yang sangat tinggi untuk aplikasi yang menuntut. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dijalankan terus menerus dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrode ultrasonik yang disesuaikan tersedia. Untuk proses delaminasi elektroda yang berkelanjutan, Hielscher menawarkan berbagai sonotrode standar dan disesuaikan. Ukuran sonotrode dapat disesuaikan dengan ukuran dan lebar bahan elektroda, sehingga menargetkan kondisi proses yang optimal untuk throughput tinggi dan pemulihan yang unggul.

Literatur / Referensi