ელექტროდების გადამუშავება – უაღრესად ეფექტური ულტრაბგერითი დელამინირებით

ელექტროდების ულტრაბგერითი დაშლა საშუალებას იძლევა წამებში აღადგინოს აქტიური მასალები, როგორიცაა ლითიუმი, ნიკელი, მანგანუმი, კობალტი და ა.შ. ამრიგად, ელექტროდების ულტრაბგერითი დაშლა ხდის ბატარეებიდან მრავალჯერადი გამოყენების მასალების აღდგენას უფრო სწრაფ, მწვანე და მნიშვნელოვნად ნაკლებ ენერგოინტენსიურს. კვლევამ უკვე დაამტკიცა, რომ ულტრაბგერითი დელმინაცია შეიძლება იყოს 100-ჯერ უფრო სწრაფი, ვიდრე ჩვეულებრივი გადამუშავების ტექნიკა.

დენის ულტრაბგერა აუმჯობესებს აქტიური მასალების აღდგენას ელექტროდებიდან

ელექტროდების ულტრაბგერითი დაშლა გთავაზობთ სწრაფ, ეფექტურ და მდგრად მიდგომას აქტიური მასალების და ფოლგის აღდგენის მიზნით. ელექტროდის ეს ნაწილები ღირებული მასალაა, რომელთა ხელახლა გამოყენება შესაძლებელია ახალი ბატარეების დასამზადებლად. ულტრაბგერითი დელამინაცია არა მხოლოდ მნიშვნელოვნად უფრო ენერგოეფექტურია, ვიდრე ჰიდრომეტალურგიული და პირომეტალურგიული გადამუშავების პროცესები, ისინი ასევე იძლევა უფრო მაღალი სისუფთავის მასალებს.

ბატარეის გადამუშავება: ელექტროდების გამოყოფა და დელამინაცია

ლითიუმის იონური ბატარეის (LIB) გადამუშავება მიზნად ისახავს ღირებული მასალების აღდგენას. ელექტროდები შეიცავს ძვირფას და იშვიათ მასალებს, როგორიცაა ლითიუმი, ნიკელი, მანგანუმი, კობალტი და ა.შ., რომელთა ეფექტურად აღდგენა შესაძლებელია უწყვეტი ულტრაბგერითი დაშლის პროცესის გამოყენებით. ულტრაბგერითი პროცესორები, რომლებიც აღჭურვილია ზონდით (სონოტროდი) შეუძლია შექმნას ინტენსიური ამპლიტუდები. ამპლიტუდა გადასცემს ულტრაბგერითი ტალღებს თხევად გარემოში (მაგ., გამხსნელ აბაზანაში), სადაც მონაცვლეობით მაღალი წნევის/დაბალი წნევის ციკლების გამო წარმოიქმნება წუთოვანი ვაკუუმის ბუშტები. ეს ვაკუუმის ბუშტები იზრდება რამდენიმე ციკლის განმავლობაში, სანამ არ მიაღწევენ იმ ზომას, რომლითაც ისინი ვერ შთანთქავენ დამატებით ენერგიას. ამ დროს ბუშტები ძლიერად იშლება. ბუშტის აფეთქება ადგილობრივად წარმოქმნის ენერგიით მკვრივ გარემოს 280 მ/წმ-მდე სიჩქარის სითხის ჭავლებით, ინტენსიური ტურბულენტობით, ძალიან მაღალი ტემპერატურით (დაახლოებით 5000K), წნევით (დაახლოებით 2000ატმ) და შესაბამისად ტემპერატურისა და წნევის დიფერენციალებით.
ულტრაბგერითი გამოწვეული ბუშტების აფეთქების ეს ფენომენი ცნობილია აკუსტიკური კავიტაცია. აკუსტიკური კავიტაციის ეფექტები აშორებს აქტიური მასალის კომპოზიტურ ფილას ფოლგის დენის კოლექტორიდან, რომელიც ორივე მხრიდან დაფარულია კომპოზიციური ფილმით. აქტიური მასალა ძირითადად შეიცავს ლითიუმის მანგანუმის ოქსიდის (LMO) და ლითიუმის ნიკელის მანგანუმის კობალტის ოქსიდის (LiNiMnCoO2 ან NMC) ფხვნილის ნარევს, აგრეთვე ნახშირბადის შავ გამტარ დანამატს.
ულტრაბგერითი დელამინაციის მექანიზმი ეფუძნება ფიზიკურ ძალებს, რომლებსაც შეუძლიათ მოლეკულური ბმების გატეხვა. სიმძლავრე-ულტრაბგერითი ინტენსივობის გამო ხშირად უფრო რბილი გამხსნელები საკმარისია აქტიური მასალის ფენების მოსაშორებლად კილიტადან ან მიმდინარე კოლექტორიდან. ამრიგად, ელექტროდის ულტრაბგერითი დაშლა არის უფრო სწრაფი, ეკოლოგიურად სუფთა და მნიშვნელოვნად ნაკლებად ენერგო ინტენსიური.

სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის (SEM) გამოსახულებები, რომლებიც აჩვენებს ელექტროდის აქტიურ მასალაში მორფოლოგიურ ცვლილებებს ულტრაბგერითი დელამინაციისას. ყველა სურათი გადაღებულია 5000x გადიდებით და 10 კვ აგზნების ენერგიით. ა) კათოდური მასალის წინასწარ დალაგება, ბ) დელამინირებული კათოდური აქტიური მასალა, გ) ანოდური მასალის წინასწარ დალაგება და დ) დელამინირებული ანოდური მასალა.
(შესწავლა და სურათები: Lei et al., 2021)

ბატარეის დაქუცმაცება ელექტროდის გამოყოფის წინააღმდეგ

აქტიური მასალის აღდგენისთვის გამოიყენება ან წყალხსნარი ან ორგანული გამხსნელები ლითონის ფოლგის, პოლიმერული შემკვრელის და/ან აქტიური მასალის დასაშლელად. პროცესის დიზაინი და ნაკადი მნიშვნელოვნად მოქმედებს მასალის აღდგენის საბოლოო შედეგზე. ბატარეის გადამუშავების ტრადიციული პროცესი მოიცავს ბატარეის მოდულების დაქუცმაცებას. თუმცა, გახეხილი კომპონენტები ძნელია ცალკეულ კომპონენტებად დაყოფა. დაქუცმაცებული მასიდან აქტიური/ღირებული მასალის მისაღებად საჭიროებს კომპლექსურ დამუშავებას. ამოღებული აქტიური მასალების ხელახლა გამოყენებისთვის საჭიროა გარკვეული სისუფთავის ხარისხი. დაქუცმაცებული ბატარეებიდან უაღრესად სუფთა მასალების მოპოვება მოიცავს რთულ პროცესებს, უხეში გამხსნელებს და, შესაბამისად, ძვირია. ულტრაბგერითი გამორეცხვა წარმატებით გამოიყენება გახეხილი ლითიუმის იონური ბატარეებიდან აქტიური მასალის აღდგენის შედეგების გასაძლიერებლად და გასაძლიერებლად.
როგორც ტრადიციული დაქუცმაცების ალტერნატიული პროცესი, ელექტროდების გამოყოფა ნაჩვენებია, როგორც ბატარეის გადამუშავების ეფექტური პროცესი, რომელსაც შეუძლია მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს მიღებული მასალების სისუფთავე. ელექტროდის გამოყოფის პროცესისთვის ბატარეა იშლება მის ძირითად კომპონენტებად. ვინაიდან ელექტროდები შეიცავს ძვირფასი მასალის უდიდეს წილს, ელექტროდი გამოიყოფა და ქიმიურად მუშავდება აქტიური მასალების (ლითიუმი, ნიკელი, მანგანუმი, კობალტი ...) დასაშლელად დაფარული კილიტადან ან მიმდინარე კოლექტორიდან. ულტრაბგერითი კარგად არის ცნობილი აკუსტიკური კავიტაციის შედეგად გამოწვეული ინტენსიური ეფექტებით. სონომექანიკური ძალები საკმარის რხევას და ათრევას ახდენენ აქტიური მასალების მოსაშორებლად, რომლებიც ფოლგაზეა გადაფენილი. (დაფარული ფოლგის სტრუქტურა სენდვიჩის მსგავსია, ფოლგა ცენტრში და აქტიური მასალის ფენა აგებულია გარე ზედაპირზე.)
ელექტროდის განცალკევება გახდის უფრო სიცოცხლისუნარიან ვარიანტს, ვიდრე დაქუცმაცება, როდესაც გამოიყენება ავტონომიურ დაშლასთან ერთად, რაც უზრუნველყოფს ნარჩენების უფრო სუფთა ნაკადებს და უფრო დიდი ღირებულების შენარჩუნებას მიწოდებაში.

ულტრაბგერითი სონოტროდები ელექტროდების დელამინაციისთვის

სპეციალური სონოტროდები, რომლებიც აწვდიან საჭირო ამპლიტუდას ელექტროდის ფოლგიდან აქტიური მასალების მოსაშორებლად, ხელმისაწვდომია. რამდენადაც აკუსტიკური კავიტაციის ინტენსივობა მცირდება სონოტროდსა და ელექტროდს შორის მანძილის მატებასთან ერთად, ხელსაყრელია მუდმივად ერთიანი მანძილი სონოტროდსა და ელექტროდს შორის. ეს ნიშნავს, რომ ელექტროდის ფურცელი მჭიდროდ უნდა გადაადგილდეს სონოტროდის წვერის ქვეშ, სადაც წნევის ტალღები ძლიერია და კავიტაციის სიმკვრივე მაღალია. სპეციალური sonotrodes-ით, რომლებიც გვთავაზობენ უფრო ფართო სიგანეს, ვიდრე სტანდარტული ცილინდრული ულტრაბგერითი ზონდი, Hielscher Ultrasonics გთავაზობთ ეფექტურ გადაწყვეტას ელექტრო მანქანებიდან ელექტროდების ფურცლების ერთგვაროვანი დელამინაციისთვის. მაგალითად, ელექტროდებს, რომლებიც გამოიყენება ჩანთა უჯრედოვანი ელექტრო ავტომობილის (EV) ბატარეებში, ჩვეულებრივ აქვთ დაახლოებით. 20 სმ. იგივე სიგანის სონოტროდი ერთნაირად გადასცემს აკუსტიკური კავიტაციას მთელ ელექტროდის ზედაპირზე. ამგვარად, წამებში აქტიური მასალის ფენები გამოიყოფა გამხსნელში და შეიძლება მისი ამოღება და გაწმენდა ფხვნილად. ამ ფხვნილის გამოყენება შესაძლებელია ახალი ბატარეების წარმოებისთვის.
გაერთიანებული სამეფოს ფარადეის ინსტიტუტის კვლევითი ჯგუფი იუწყება, რომ აქტიური მასალის ფენების ამოღება LIB ელექტროდიდან შეიძლება დასრულდეს 10 წმ-ზე ნაკლებ დროში, როდესაც ელექტროდი მდებარეობს უშუალოდ მაღალი სიმძლავრის სონოტროდის ქვეშ (1000-დან 2000 ვტ-მდე, მაგ. UIP1000hdT ან UIP2000hdT). ულტრაბგერითი დამუშავების დროს წებოვანი ბმები აქტიურ მასალებსა და დენის კოლექტორებს შორის იშლება ისე, რომ შემდგომ გაწმენდის საფეხურზე შესაძლებელია ხელუხლებელი დენის კოლექტორი და ფხვნილი აქტიური მასალის აღდგენა.

სურათები, რომლებიც გვიჩვენებს ულტრაბგერის ეფექტს უკანა მხარეს: ა) ლითიუმ-იონური ბატარეის ანოდის ფურცლისა და ბ) ლითიუმ-იონური ბატარეის კათოდური ფურცლის. ანოდი დაიშალა 0,05 მ ლიმონმჟავას ხსნარში; კათოდი დაიშალა 0,1 M NaOH ხსნარში. სონოტროდი იყო 20 მმ დიამეტრის, 120 ვტ/სმ2 სიმძლავრის ინტენსივობით გამოყენებული 3 წამის განმავლობაში, სონოტროდიდან 2,5 მმ დაშორებით. ნიმუშის ზომა იყო 3 სმ x 3 სმ.
(შესწავლა და სურათები: Lei et al., 2021)

ულტრაბგერითი ელექტროდების დელამინაციისთვის

Hielscher Ultrasonics შეიმუშავებს, აწარმოებს და ავრცელებს მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი პროცესორებს, რომლებიც მუშაობენ 20 kHz დიაპაზონში. Hielscher ულტრაბგერითი’ სამრეწველო ულტრაბგერითი არის მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი პროცესორები, რომლებსაც შეუძლიათ ძალიან მაღალი ამპლიტუდის მიწოდება მომთხოვნი აპლიკაციებისთვის. 200 μm-მდე ამპლიტუდა შეიძლება ადვილად იყოს გაშვებული 24/7 მუშაობისას. კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია მორგებული ულტრაბგერითი სონოტროდები. ელექტროდების უწყვეტი დელამინაციის პროცესისთვის, Hielscher გთავაზობთ როგორც სტანდარტულ, ასევე მორგებულ სონოტროდებს. სონოტროდის ზომა შეიძლება მორგებული იყოს ელექტროდის მასალის ზომასა და სიგანეზე, რითაც მიზნად ისახავს პროცესის ოპტიმალურ პირობებს მაღალი გამტარუნარიანობისა და უმაღლესი აღდგენისთვის.

ლიტერატურა / ლიტერატურა