Riciclaggio degli elettrodi – Alta efficienza con la delaminazione a ultrasuoni

La delaminazione a ultrasuoni degli elettrodi consente di recuperare in pochi secondi materiali attivi come litio, nichel, manganese, cobalto ecc. In questo modo, la delaminazione a ultrasuoni degli elettrodi rende il recupero dei materiali riutilizzabili dalle batterie più veloce, più ecologico e con un consumo energetico notevolmente inferiore. La ricerca ha già dimostrato che la delaminazione a ultrasuoni può essere 100 volte più veloce delle tecniche di riciclaggio convenzionali.

Gli ultrasuoni di potenza migliorano il recupero dei materiali attivi dagli elettrodi

La delaminazione degli elettrodi con gli ultrasuoni offre un approccio rapido, efficiente e sostenibile per il recupero dei materiali attivi e della lamina. Queste parti dell'elettrodo sono materiali preziosi, che possono essere riutilizzati per la produzione di nuove batterie. La delaminazione a ultrasuoni non solo è significativamente più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai processi di riciclaggio idrometallurgici e pirometallurgici, ma produce anche materiali di maggiore purezza.

Riciclaggio delle batterie: Separazione e delaminazione degli elettrodi

Il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio (LIB) mira a recuperare materiali preziosi. Gli elettrodi contengono materiali preziosi e rari come litio, nichel, manganese, cobalto, ecc. che possono essere recuperati in modo efficiente utilizzando un processo continuo di delaminazione a ultrasuoni. I processori a ultrasuoni dotati di una sonda (sonotrodo) possono creare ampiezze intense. L'ampiezza trasmette le onde ultrasonore nel mezzo liquido (ad esempio, il bagno di solvente), dove, a causa di cicli alternati di alta e bassa pressione, si formano minuscole bolle di vuoto. Queste bolle di vuoto crescono nel corso di alcuni cicli, fino a raggiungere una dimensione tale da non poter più assorbire energia. A questo punto, le bolle implodono violentemente. L'implosione delle bolle genera localmente un ambiente ad alta densità energetica con getti di liquido con velocità fino a 280 m/s, intense turbolenze, temperature molto elevate (circa 5.000 K), pressioni (circa 2.000 atm) e conseguenti differenziali di temperatura e pressione.
Questo fenomeno di implosione delle bolle indotto dagli ultrasuoni è noto come cavitazione acustica. Gli effetti della cavitazione acustica rimuovono il film composito di materiale attivo dal collettore di corrente a lamina, che è rivestito su entrambi i lati con il film composito. Il materiale attivo contiene principalmente una miscela di ossido di litio e manganese (LMO) e di ossido di litio, nichel e manganese e cobalto (LiNiMnCoO2 o NMC) in polvere, oltre a nerofumo come additivo conduttivo.
Il meccanismo di delaminazione a ultrasuoni si basa su forze fisiche in grado di rompere i legami molecolari. Grazie all'intensità della potenza degli ultrasuoni, spesso sono sufficienti solventi più blandi per rimuovere gli strati di materiale attivo dalla lamina o dal collettore di corrente. In questo modo, la delaminazione a ultrasuoni dell'elettrodo è più rapida, rispettosa dell'ambiente e molto meno dispendiosa in termini di energia.

Immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) che mostrano i cambiamenti morfologici del materiale attivo dell'elettrodo dopo la delaminazione a ultrasuoni. Tutte le immagini sono state scattate con un ingrandimento di 5000x e un'energia di eccitazione di 10 kV. a) materiale catodico pre-delaminazione, b) materiale attivo catodico delaminato, c) materiale anodico pre-delaminazione e d) materiale anodico delaminato.
(studio e immagini: Lei et al., 2021)

Frantumazione della batteria vs. separazione degli elettrodi

Per il recupero del materiale attivo si utilizzano solventi acquosi o organici per sciogliere la lamina metallica, il legante polimerico e/o il materiale attivo. La progettazione e il flusso del processo influenzano in modo significativo il risultato finale del recupero del materiale. Il processo tradizionale di riciclaggio delle batterie prevede la frantumazione dei moduli della batteria. Tuttavia, i componenti triturati sono difficili da separare in singoli componenti. È necessaria una lavorazione complessa per ottenere materiali attivi/validi dalla massa frantumata. Per riutilizzare i materiali attivi recuperati, è necessario un certo grado di purezza. Il recupero di materiali altamente puri dalla massa di batterie triturate richiede processi complessi, solventi aggressivi ed è quindi costoso. La lisciviazione a ultrasuoni viene utilizzata con successo per intensificare e migliorare i risultati del recupero dei materiali attivi dalle batterie agli ioni di litio triturate.
Come processo alternativo alla frantumazione tradizionale, la separazione degli elettrodi si è dimostrata un'efficace procedura di riciclaggio delle batterie, in grado di migliorare significativamente la purezza dei materiali ottenuti. Per il processo di separazione degli elettrodi, la batteria viene smontata nei suoi componenti principali. Poiché gli elettrodi contengono la maggior parte del materiale prezioso, vengono separati e trattati chimicamente per dissolvere i materiali attivi (litio, nichel, manganese, cobalto...) dalla lamina rivestita o dal collettore di corrente. L'ultrasuonoterapia è ben nota per i suoi intensi effetti causati dalla cavitazione acustica. Le forze sonomeccaniche applicano un'oscillazione e un taglio sufficienti a rimuovere i materiali attivi, che sono stratificati sulla lamina (la struttura di una lamina rivestita è simile a un sandwich, con la lamina al centro e lo strato di materiale attivo costruito sulla superficie esterna).
La separazione degli elettrodi sarebbe un'opzione più valida della frantumazione, se utilizzata insieme al disassemblaggio autonomo, consentendo flussi di rifiuti più puri e una maggiore conservazione del valore nella fornitura.

Sonotrodi a ultrasuoni per la delaminazione degli elettrodi

Sono facilmente reperibili sonotrodi speciali che forniscono l'ampiezza necessaria per rimuovere i materiali attivi dalla lamina dell'elettrodo. Poiché l'intensità della cavitazione acustica diminuisce con l'aumentare della distanza tra il sonotrodo e l'elettrodo, è preferibile che la distanza tra il sonotrodo e l'elettrodo sia costantemente uniforme. Ciò significa che la lamina dell'elettrodo deve essere spostata strettamente sotto la punta del sonotrodo, dove le onde di pressione sono forti e la densità di cavitazione è elevata. Con speciali sonotrodi che offrono una larghezza maggiore rispetto alla sonda ultrasonica cilindrica standard, Hielscher Ultrasonics offre una soluzione efficiente per la delaminazione uniforme delle lamiere degli elettrodi dei veicoli elettrici. Ad esempio, gli elettrodi utilizzati nelle batterie dei veicoli elettrici (EV) hanno una larghezza tipica di circa 20 cm. Un sonotrodo della stessa larghezza trasmette la cavitazione acustica in modo uniforme su tutta la superficie dell'elettrodo. In questo modo, in pochi secondi gli strati di materiale attivo vengono rilasciati nel solvente e possono essere estratti e purificati in polvere. Questa polvere può essere riutilizzata per la produzione di nuove batterie.
Il team di ricerca del Faraday Institution del Regno Unito riferisce che la rimozione degli strati di materiale attivo dall'elettrodo LIB può essere completata in meno di 10 s quando l'elettrodo è posizionato direttamente sotto un sonotrodo ad alta potenza (da 1000 a 2000 W, ad es. UIP1000hdT o UIP2000hdT). Durante il trattamento a ultrasuoni si rompono i legami adesivi tra i materiali attivi e i collettori di corrente, in modo che in una successiva fase di purificazione sia possibile recuperare un collettore di corrente intatto e materiale attivo in polvere.

Immagini che mostrano l'effetto degli ultrasuoni sul lato posteriore di: a) foglio anodico di batteria agli ioni di litio e b) foglio catodico di batteria agli ioni di litio. L'anodo è stato delaminato in una soluzione di acido citrico 0,05 M; il catodo è stato delaminato in una soluzione di NaOH 0,1 M. Il sonotrodo aveva un diametro di 20 mm, con un'intensità di potenza di 120 W/cm2 applicata per 3 secondi, a 2,5 mm di distanza dal sonotrodo. La dimensione del campione era di 3 cm x 3 cm.
(studio e immagini: Lei et al., 2021)

Ultrasuonatori per la delaminazione degli elettrodi

Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce processori a ultrasuoni ad alte prestazioni, che operano nella gamma dei 20 kHz. Hielscher Ultrasonics’ Gli ultrasonori industriali sono processori a ultrasuoni ad alta potenza in grado di fornire ampiezze molto elevate per applicazioni complesse. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Per il processo di delaminazione continua degli elettrodi, Hielscher offre una gamma di sonotrodi standard e personalizzati. Le dimensioni del sonotrodo possono essere adattate alle dimensioni e alla larghezza del materiale dell'elettrodo, ottenendo così condizioni di processo ottimali per un'elevata produttività e un recupero superiore.

Letteratura / Referenze