電極のリサイクル – 超音波層間剥離による高効率

電極の超音波層間剥離により、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ます。これにより、超音波電極の層間剥離により、バッテリーからの再利用可能な材料の回収がより速く、環境に優しく、エネルギー集約が大幅に少なくなります。研究はすでに超音波層間剥離が従来のリサイクル技術よりも100倍速いことができることを証明しています。

パワー超音波は電極からの活物質の回収を改善します

電極の超音波吸引層間剥離は、活物質と箔を回収するための迅速、効率的、かつ持続可能なアプローチを提供します。電極のこれらの部分は貴重な材料であり、新しいバッテリーの製造に再利用できます。超音波層間剥離は、湿式製錬および乾式製錬リサイクルプロセスよりもエネルギー効率が著しく高いだけでなく、高純度の材料でも得られます。

バッテリーのリサイクル:電極の分離と層間剥離

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ます。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、連続的な超音波層間剥離プロセスを使用して効率的に回収できます。プローブ(ソノトロード)を装備した超音波プロセッサは、激しい振幅を作り出すことができます。振幅は超音波を液体媒体(例えば、溶媒浴)に伝達し、そこで高圧/低圧サイクルが交互に繰り返されるため、微小な真空気泡が発生します。これらの真空気泡は、それ以上のエネルギーを吸収できないサイズに達するまで、数サイクルにわたって成長します。この時点で、泡は激しく爆発します。気泡の爆縮は、最大280m/sの速度の液体ジェット、激しい乱流、非常に高い温度(約5,000K)、圧力(約2,000atm)、それに応じて温度と圧力の差を伴う、非常にエネルギー密度の高い環境を局所的に生成します。
超音波で誘発された気泡爆縮のこの現象は、音響キャビテーションとして知られています。音響キャビテーションの影響により、複合フィルムで両面がコーティングされたホイル集電体から活物質の複合フィルムが除去されます。活物質は、主にマンガン酸リチウム(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)粉末の混合物、および導電性添加剤としてのカーボンブラックを含んでいます。
超音波層間剥離のメカニズムは、分子結合を切断することができる物理的な力に基づいています。パワー超音波の強度により、多くの場合、より穏やかな溶媒が箔または集電体から活物質の層を除去するのに十分です。それにより、電極の超音波層間剥離はより速く、環境に優しく、そして大幅に少ないエネルギー集約的になる。

超音波層間剥離による電極活物質の形態学的変化を示す走査型電子顕微鏡(SEM)画像。すべての画像は、5000倍の倍率と10kVの励起エネルギーで撮影されました。a)カソード材料のプレデラミネーション、b)デラミネートされたカソード活物質、c)アノード材料のプレデラミネート、およびd)デラミネートされたアノード材料。
(研究と写真:Lei et al., 2021)

バッテリーシュレッダーと電極分離

活物質の回収には、水性溶媒または有機溶媒を使用して、金属箔、ポリマーバインダー、および/または活物質を溶解します。プロセス設計とフローは、材料回収の最終結果に大きく影響します。従来のバッテリーリサイクルプロセスでは、バッテリーモジュールを細断します。しかし、細断された部品は、個々の部品に分離するのが困難です。細断された塊から活性物質/貴重な材料を得るためには、複雑な処理が必要です。回収した活物質を再利用するためには、ある程度の純度が必要です。細断されたバッテリーバルクから高純度の材料を取り出すには、複雑なプロセス、刺激の強い溶剤が必要となるため、コストがかかります。超音波浸出は、細断されたリチウムイオン電池からの活物質回収の結果を強化し強化するために成功裏に使用されます。
従来の細断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として示されています。電極分離プロセスでは、バッテリーを主要コンポーネントに分解します。電極には貴重な材料が最大の割合で含まれているため、電極は分離され、化学的に処理されて、コーティングされた箔または集電体から活物質(リチウム、ニッケル、マンガン、コバルトなど)が溶解します。超音波処理は、音響キャビテーションによって引き起こされるその強烈な影響でよく知られています。音響機械的な力は、箔上に層状にされた活物質を除去するのに十分な振動とせん断を加えます。(コーティングされた箔の構造はサンドイッチに似ており、中央に箔、活物質層が外面に構築されています。
電極分離は、自律的な分解と組み合わせて使用 すると、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保持が可能になります

電極層間剥離用超音波ソノトロード

電極箔から活物質を除去するために必要な振幅を提供する特別なソノトロードは、容易に入手可能です。音響キャビテーションの強度は、ソノトロードと電極の間の距離が増加するにつれて減少するため、ソノトロードと電極との間の連続的に均一な距離が好ましい。つまり、電極シートは、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近接して移動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提供する特別なソノトロードを使用して、ヒールシャー超音波は、電気自動車からの電極シートの均一な層間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)のパウチセルバッテリーに使われる電極の幅は、一般的に約20cmです。同じ幅のソノトロードは、電極表面全体で音響キャビテーションを均一に伝達します。これにより、数秒以内に活物質の層が溶媒中に放出され、抽出して粉末に精製することができます。この粉末は、新しいバッテリーの製造に再利用できます。
英国のファラデー研究所の研究チームは、電極が高出力ソノトロード(1000〜2000 Wなど)の真下に電極が配置されている場合、LIB電極からの活物質層の除去を10秒未満で完了できると報告しています。 UIP1000hdTの 又は UIP2000hdT).超音波処理中に、活物質と集電体との間の接着結合が切断されるため、その後の精製ステップで無傷の集電体と粉末状の活物質を回収できます。

a)リチウムイオン電池のアノードシート、およびb)リチウムイオン電池のカソードシートの裏面に超音波の影響を示す画像。アノードは、0.05 Mクエン酸の溶液で層間剥離されました。カソードは0.1 M NaOHの溶液で層間剥離されました。ソノトロードの直径は20mmで、ソノトロードから2.5mm離れた場所で、120 W / cm2の電力強度を3秒間印加しました。サンプルサイズは3cm×3cmでした。
(研究と写真:Lei et al., 2021)

電極層間剥離のための超音波装置

ヒールシャー超音波は、20kHzの範囲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。ヒールシャー超音波’ 工業用超音波装置は、要求の厳しいアプリケーションに対して非常に高い振幅を提供できる高出力超音波プロセッサです。最大200μmの振幅は、24/7操作で簡単に連続運転できます。さらに高い振幅のために、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。電極の連続的な層間剥離プロセスのために、ヒールシャーは標準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の範囲を提供しています。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るため、ハイスループットと優れた回収率のための最適なプロセス条件をターゲットにすることができます。

文献/参考文献