電極リサイクル – 超音波剥離の高い効率性

電極の超音波剥離により、リチウム、ニッケル、マンガン、コバルトなどの活物質を数秒で回収することができる。これにより、超音波電極剥離は、バッテリーからの再利用可能な材料の回収をより速く、環境に優しく、エネルギー集約を大幅に削減します。超音波による剥離は、従来のリサイクル技術よりも100倍速いことが、すでに研究によって証明されている。

パワー超音波が電極からの活物質回収を改善する

超音波による電極の剥離は、活物質と箔を回収する迅速で効率的かつ持続可能なアプローチを提供する。電極のこれらの部分は貴重な材料であり、新しい電池の製造に再利用することができる。超音波剥離は、湿式冶金や乾式冶金のリサイクルプロセスよりもエネルギー効率が大幅に高いだけでなく、より純度の高い材料が得られます。

バッテリーのリサイクル電極の分離と剥離

リチウムイオン電池（LIB）のリサイクルは、貴重な材料を回収することを目的としている。電極には、リチウム、ニッケル、マンガン、コバルトなどの貴重で希少な材料が含まれており、連続的な超音波剥離プロセスを用いて効率的に回収することができる。プローブ（ソノトロード）を備えた超音波処理装置は、強い振幅を発生させることができる。この振幅は超音波を液体媒体（例えば、溶媒槽）に伝達し、高圧／低圧の交互サイクルにより微小な真空気泡が発生する。これらの真空気泡は、数回のサイクルを経て、それ以上エネルギーを吸収できない大きさになるまで成長する。この時点で、気泡は激しく崩壊する。気泡の破裂により、最大速度280m/sの液体ジェット、激しい乱流、非常に高い温度（約5,000K）、圧力（約2,000気圧）、それに伴う温度と圧力の差など、非常にエネルギー密度の高い環境が局所的に発生する。
この超音波による気泡の爆縮現象を音響キャビテーションという。音響キャビテーションの影響により、両面を複合膜でコーティングされた箔集電体から活物質の複合膜が除去される。活物質は、主にリチウムマンガン酸化物（LMO）とリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（LiNiMnCoO2またはNMC）の混合粉末、および導電性添加剤としてのカーボンブラックを含む。
超音波による剥離のメカニズムは、分子結合を切断する物理的な力に基づいている。パワー超音波の強度により、箔や集電体から活物質層を除去するには、より穏やかな溶剤で十分な場合が多い。これにより、電極の超音波剥離は、より速く、環境にやさしく、エネルギー消費量が大幅に少なくなります。

超音波剥離による電極活物質の形態変化を示す走査型電子顕微鏡（SEM）像。a)剥離前の正極活物質、b)剥離した正極活物質、c)剥離前の負極活物質、d)剥離した負極活物質。
(研究および写真：Lei他、2021年）

バッテリー破砕と電極分離の比較

活性物質の回収には、金属箔、ポリマーバインダー、活性物質を溶解するために、水性溶媒または有機溶媒が使用される。プロセスの設計と流れは、材料回収の最終結果に大きく影響する。従来の電池リサイクル工程では、電池モジュールの破砕が行われる。しかし、細断された部品を個々の部品に分離することは困難である。破砕された塊から活物質／有価物質を得るためには、複雑な処理が必要となる。回収した活物質を再利用するためには、ある程度の純度が求められる。破砕されたバッテリーバルクから高純度の材料を回収するには、複雑なプロセスや過酷な溶媒を必要とし、そのためコストがかかる。超音波浸出法は、破砕されたリチウムイオン電池からの活物質回収を強化し、結果を向上させることに成功している。
従来のシュレッダーに代わるプロセスとして、電極分離は、得られる材料の純度を大幅に向上させることができる効果的なバッテリーリサイクルプロセスであることが示されている。電極分離プロセスでは、電池を主要部品に分解する。電極には最も多くの有価物質が含まれているため、電極を分離し、化学的に処理して活性物質（リチウム、ニッケル、マンガン、コバルト...）を被覆箔や集電体から溶解させます。超音波処理は、音響キャビテーションによる強烈な効果でよく知られています。ソノメカニカルな力は、箔上に積層された活物質を除去するのに十分な振動と剪断を加える。 (コーティング箔の構造はサンドイッチに似ており、中心が箔、外面が活物質層である)。
電極の分離は、自律的な分解と組み合わせて使用される場合、シュレッダーよりも実行可能なオプションとなり、より純粋な廃棄物の流れと供給におけるより大きな価値の保持を可能にする。

電極剥離用超音波ソノトロード

電極箔から活性物質を除去するのに必要な振幅を供給する特殊なソノトロードは、容易に入手可能である。音響キャビテーションの強度は、ソノトロードと電極間の距離が長くなるにつれて減少するため、ソノトロードと電極間の距離は連続的に均一であることが好ましい。つまり、圧力波が強くキャビテーション密度が高いソノトロード先端の下に電極シートを密着させる必要があります。標準的な円筒形超音波プローブよりも広い幅を持つ特殊なソノトロードにより、Hielscher Ultrasonicsは電気自動車の電極シートの均一な剥離のための効率的なソリューションを提供します。例えば、電気自動車（EV）のパウチ電池に使用される電極の幅は、通常約20cmです。同じ幅のソノトロードは、電極表面全体に均一に音響キャビテーションを伝達します。これにより、数秒以内に活性物質の層が溶媒中に放出され、粉末に抽出・精製することができる。この粉末は新しい電池の製造に再利用できる。
英国のファラデー研究所の研究チームによると、電極を高出力ソノトロード（1000～2000W。 UIP1000hdT または UIP2000hdT).超音波処理中に活物質と集電体との接着が破壊され、その後の精製工程で無傷の集電体と粉末活物質を回収することができる。

a)リチウムイオン電池負極シート、b)リチウムイオン電池正極シートの裏面に対する超音波の効果を示す画像。負極は0.05Mクエン酸溶液中で剥離し、正極は0.1M NaOH溶液中で剥離した。ソノトロードは直径20mmで、ソノトロードから2.5mm離れた位置で120W/cm2の電力を3秒間印加した。サンプルサイズは3cm×3cm。
(研究および写真：Lei他、2021年）

電極剥離用超音波発生装置

Hielscher Ultrasonics社は、20kHz帯域で動作する高性能超音波プロセッサを設計、製造、販売しています。ヒールシャー・ウルトラソニックス’ 産業用超音波処理装置は、要求の厳しいアプリケーション向けに非常に高い振幅を提供できるハイパワー超音波処理装置です。最大200µmまでの振幅を、24時間365日の連続運転で容易に実現できます。さらに高い振幅を得るためには、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。電極の連続的な剥離プロセス用に、Hielscherは標準的なソノトロードだけでなく、カスタマイズされたソノトロードも提供しています。ソノトロードのサイズは、電極材料のサイズと幅に適合させることができ、それにより高スループットと優れた回収のための最適なプロセス条件を目指します。

文献・参考文献