電極リサイクル – 超音波層間剥離による高効率

電極の超音波層間剥離は、数秒以内にリチウム、ニッケル、マンガン、コバルトなどの活物質を回収することを可能にする。それによって、超音波電極層間剥離は、電池からの再利用可能な材料の回収をより速く、緑色にし、そして著しく少ないエネルギー集約的になる。超音波層間剥離は、従来のリサイクル技術よりも100倍高速であり得ることを研究によってすでに証明されている。

パワー超音波は、電極からの活性物質の回収を改善します

電極の超音波吸引層間剥離は、活性材料および箔を回収する迅速、効率的、かつ持続可能なアプローチを提供する。電極のこれらの部品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ます。超音波層間剥離は、湿式製錬および乾式冶金リサイクルプロセスよりもエネルギー効率が有意に高いだけでなく、より高い純度の材料でも収率が得られます。

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、有価物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、連続超音波層間剥離プロセスを使用して効率的に回収することができます。プローブ(ソノトロード)を搭載した超音波プロセッサは、強烈な振幅を生成することができます。振幅は、超音波を液体媒体(例えば、溶媒浴)に伝達し、そこでは、交互の高圧/低圧サイクルのために微小な真空気泡が生じる。これらの真空気泡は、数サイクルにわたって成長し、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成長します。この時点で、泡は激しく爆発する。気泡爆縮は、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)、および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。
超音波誘発気泡爆縮のこの現象は、音響キャビテーションが知られている。音響キャビテーションの効果は、複合フィルムで両面にコーティングされた箔集電体から活物質の複合フィルムを除去する。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)粉末の混合物と、導電助剤としてカーボンブラックを含有する。
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のために、しばしば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ある。これにより、電極の超音波層間剥離がより速く、環境に優しく、エネルギー集約性が大幅に低い。

超音波層間剥離時の電極活物質の形態変化を示す走査型電子顕微鏡(SEM)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)カソード材料プレ層間剥離、b)積層解除された正極活物質、c)層間剥離したアノード材料、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処理と電極分離

活物質の回収のために、水性または有機溶媒のいずれかが、金属箔、ポリマー結合剤、および/または活物質を溶解するために使用される。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。従来のバッテリリサイクルプロセスでは、バッテリモジュールの細断処理が行われます。しかし、細断されたコンポーネントは、個々のコンポーネントに分離することは困難です。細断された塊から活性/価値のある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ある。細断された電池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、過酷な溶媒が必要であり、したがって高価である。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、強化するために首尾よく使用される。
従来のシュレッダ処理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著しく改善することができる有効な電池リサイクルプロセスとして示されている。電極分離プロセスのために、電池はその主要部品に分解される。電極は貴重な材料の最大のシェアを含むので、電極は化学的に分離され、化学的に処理され、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)を溶解する。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効果でよく知られています。ソノメカニカルな力は、箔の上に層状になっている活物質を除去するのに十分な振動とせん断を加えます。(塗布箔の構造はサンドイッチに似ており、中央に箔、外表面に活物質層が組み込まれています。
電極分離は、自律的な分解と組み合わせて使用すると、シュレッダ処理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。

電極層間剥離のための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との間の距離の増加とともに減少するので、ソノトロードと電極との間の連続的に均一な距離が有利である。これは、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真下に密接に移動されるべきであることを意味する。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で、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、パウチセル電気自動車(EV)電池に使用される電極は、通常、約20cmの幅を有する。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透過する。これにより、数秒以内に活性材料の層が溶媒中に放出され、粉末に抽出および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することができます。
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(例えば、1000〜2000W)の真下に位置する場合、LIB電極からの活物質層の除去は10秒未満で完了することができると報告しています。 UIP1000hdT または UIP2000hdT).超音波処理の間、活物質と集電体との間の接着結合は、その後の精製工程において、無傷の集電体および粉末状の活物質を回収することができるように切断される。

a)リチウムイオン電池負極シート、およびb)リチウムイオン電池正極シートの裏面における超音波の効果を示す画像。アノードを0.05 Mクエン酸の溶液中で剥離した;カソードを0.1 M NaOHの溶液中で剥離した。ソノトロードは直径20mmで、ソノトロードから2.5mm離れた場所で120W/cm2の電力強度を3秒間印加した。サンプルサイズは3cm×3cmであった。
(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、設計、製造、および20kHzの範囲で動作する高性能超音波プロセッサを配布します。ヒールシャー超音波’ 産業用超音波装置は、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高出力超音波プロセッサです。最大200μmの振幅は、24時間365日の動作で簡単に連続的に実行できます。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、電極材料のサイズおよび幅に適合させることができ、それによって、高スループットおよび優れた回収のための最適なプロセス条件を標的とすることができる。

文献 / 参考文献