ელექტროდების რეციკლირება – ულტრაბგერითი დელამინაციით მაღალი ეფექტურობით

ელექტროდების ულტრაბგერითი დელამინაცია საშუალებას იძლევა, წამიერად აღდგეს აქტიური მასალები, როგორიცაა ლითიუმი, ნიკელი, მანგანუმი, კობალტი და ა.შ. ამრიგად, ელექტროდების ულტრაბგერითი დელამინაცია ბატარეებიდან გამოსაყენებელი მასალების აღდგენას უფრო სწრაფს, „მწვანეს“ და მნიშვნელოვნად ნაკლებად ენერგოტევადს ხდის. კვლევამ უკვე დაადასტურა, რომ ულტრაბგერითი დელამინაცია შეიძლება იყოს ტრადიციული რეციკლირების ტექნიკებზე 100-ჯერ უფრო სწრაფი.

სიმძლავრი ულტრაბგერა აუმჯობესებს ელექტროდებიდან აქტიური მასალების აღდგენას

ელექტროდების ულტრაბგერითი დელამინაცია სთავაზობს აქტიური მასალებისა და ფოლგის აღდგენის სწრაფ, ეფექტურ და მდგრად მიდგომას. ელექტროდის ეს ნაწილები ღირებული მასალებია, რომლებიც შეიძლება ხელახლა იქნას გამოყენებული ახალი ბატარეების წარმოებისთვის. ულტრაბგერითი დელამინაცია არა მხოლოდ მნიშვნელოვნად ენერგოეფექტურია ჰიდრომეტალურგიულ და პირომეტალურგიულ რეციკლირების პროცესებთან შედარებით, არამედ ის უფრო მაღალი სიწმინდის მქონე მასალებსაც იძლევა.

ბატარეების რეციკლირება: ელექტროდების სეპარაცია და დელამინაცია

ლითიუმ-იონური ბატარეების (LIB) რეციკლირება მიზნად ისახავს ღირებული მასალების აღდგენას. ელექტროდები შეიცავს ძვირფას და იშვიათ მასალებს, როგორიცაა ლითიუმი, ნიკელი, მანგანუმი, კობალტი და ა.შ., რომლებიც შეიძლება ეფექტურად იქნას აღდგენილი უწყვეტი ულტრაბგერითი დელამინაციის პროცესის გამოყენებით. პრობით (სონოტროდით) აღჭურვილ ულტრაბგერით პროცესორებს შეუძლიათ ინტენსიური ამპლიტუდების შექმნა. ამპლიტუდა გადასცემს ულტრაბგერით ტალღებს თხევად გარემოში (მაგ., გამხსნელის აბაზანაში), სადაც მონაცვლეობითი მაღალი წნევის / დაბალი წნევის ციკლების გამო წარმოიქმნება წვრილი ვაკუუმური ბუშტუკები. ეს ვაკუუმური ბუშტუკები იზრდება რამდენიმე ციკლის განმავლობაში, სანამ არ მიაღწევენ ისეთ ზომას, რომლის დროსაც ვეღარ შეუძლიათ ენერგიის შთანთქმა. ამ მომენტში ბუშტუკები ძლიერად იმპლოდირდება. ბუშტუკის იმპლოზია ლოკალურად ქმნის მაღალი ენერგიის სიმკვრივის გარემოს, სადაც სითხის ჭავლები აღწევს 280m/s სიჩქარეს, ინტენსიურ ტურბულენტობას, ძალიან მაღალ ტემპერატურას (დაახლოებით 5 000K), წნევას (დაახლოებით 2 000atm) და შესაბამისად ტემპერატურულ და წნევით დიფერენციალებს.
ულტრაბგერით გამოწვეული ბუშტუკების იმპლოზიის ეს ფენომენი ცნობილია როგორც აკუსტიკური კავიტაცია. აკუსტიკური კავიტაციის ეფექტები აცილებენ აქტიური მასალის კომპოზიტურ ფენას ფოლგის დენის შემგროვებელზე, რომელიც ორივე მხრიდან დაფარულია კომპოზიტური ფენით. აქტიური მასალა ძირითადად შედგება ლითიუმ-მანგანუმის ოქსიდის (LMO) და ლითიუმ-ნიკელ-მანგანუმ-კობალტის ოქსიდის (LiNiMnCoO2 ან NMC) ფხვნილის, ასევე ნახშირბადის შავის, როგორც გამტარი დანამატის, ნარევისგან.
ულტრაბგერითი დელამინაციის მექანიზმი ეფუძნება ფიზიკურ ძალებს, რომლებსაც შეუძლიათ მოლეკულური ბმების გაწყვეტა. სიმძლავრი ულტრაბგერის ინტენსივობის გამო, ხშირად საკმარისია უფრო მსუბუქი გამხსნელები აქტიური მასალის ფენების ფოლგიდან ან დენის შემგროვებელიდან მოსაცილებლად. ამრიგად, ელექტროდების ულტრაბგერითი დელამინაცია უფრო სწრაფია, ეკოლოგიურად სუფთა და მნიშვნელოვნად ნაკლებად ენერგოტევადი.

სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპიის (SEM) გამოსახულებები, რომლებიც აჩვენებენ ელექტროდის აქტიური მასალის მორფოლოგიურ ცვლილებებს ულტრაბგერითი დელამინაციის დროს. ყველა გამოსახულება გადაღებულია 5000x გადიდებით და 10 kV ექსციტაციის ენერგიით. a) კათოდის მასალა დელამინაციამდე, b) დელამინირებული კათოდის აქტიური მასალა, c) ანოდის მასალა დელამინაციამდე და d) დელამინირებული ანოდის მასალა.
(კვლევა და სურათები: Lei et al., 2021)

ბატარეების დაქუცმაცება ელექტროდების სეპარაციასთან შედარებით

აქტიური მასალის აღდგენისთვის გამოიყენება როგორც წყალხსნარზე დაფუძნებული, ისე ორგანული გამხსნელები, რომლებიც ახდენენ ლითონის ფოლგის, პოლიმერული ბაინდერის და/ან აქტიური მასალის გახსნას. პროცესის დიზაინი და ნაკადი მნიშვნელოვნად ახდენენ გავლენას მასალის აღდგენის საბოლოო შედეგზე. ტრადიციული ბატარეების რეციკლირების პროცესი მოიცავს ბატარეის მოდულების დაქუცმაცებას. თუმცა, დაქუცმაცებული კომპონენტების ცალკეულ კომპონენტებად დაყოფა რთულია. აქტიური/ღირებული მასალის მიღება დაქუცმაცებული მასიდან მოითხოვს რთულ დამუშავებას. აღდგენილი აქტიური მასალების ხელახლა გამოყენებისთვის საჭიროა გარკვეული ხარისხის სიწმინდე. მაღალი სიწმინდის მქონე მასალების მიღება დაქუცმაცებული ბატარეის მასიდან მოითხოვს რთულ პროცესებს, მკაცრ გამხსნელებს და, შესაბამისად, ძვირადღირებულია. ულტრაბგერითი გამოტუტვა წარმატებით გამოიყენება დაქუცმაცებული ლითიუმ-იონური ბატარეებიდან აქტიური მასალის აღდგენის შედეგების გასაძლიერებლად და გასაუმჯობესებლად.
ტრადიციული დაქუცმაცების ალტერნატიულ პროცესად, ელექტროდების სეპარაცია (გამიჯვნა) წარმოადგენს ეფექტურ ბატარეების რეციკლირების პროცესს, რომელიც მნიშვნელოვნად ზრდის მიღებული მასალების სიწმინდეს. ელექტროდების სეპარაციის პროცესისთვის, ბატარეა იშლება მის ძირითად კომპონენტებად. რადგან ელექტროდები შეიცავს ღირებული მასალის უდიდეს ნაწილს, ელექტროდი გამოიყოფა და ქიმიურად მუშავდება აქტიური მასალების (ლითიუმი, ნიკელი, მანგანუმი, კობალტი …) გასახსნელად დაფარული ფოლგიდან ან დენის შემგროვებლიდან. ულტრაბგერითი დამუშავება კარგად არის ცნობილი აკუსტიკური კავიტაციით გამოწვეული ინტენსიური ეფექტების გამო. სონომექანიკური ძალები ახდენენ საკმარის ოსცილაციას და ძვრას, რათა მოცილდეს აქტიური მასალები, რომლებიც დაფენილია ფოლგაზე. (დაფარული ფოლგის სტრუქტურა მსგავსია სენდვიჩის, ფოლგა შუაშია, ხოლო აქტიური მასალის ფენა ქმნის გარე ზედაპირს.)
ელექტროდების სეპარაცია იქნება უფრო სიცოცხლისუნარიანი ვარიანტი, ვიდრე დაქუცმაცება, როდესაც ის გამოიყენება ავტონომიურ დემონტაჟთან ერთად, რაც საშუალებას იძლევა მიღებული იქნას უფრო სუფთა ნაკადები და უფრო დიდი ღირებულების შენარჩუნება მიწოდების ჯაჭვში

ულტრაბგერითი სონოტროდები ელექტროდების დელამინაციისთვის

სპეციალური სონოტროდები, რომლებიც უზრუნველყოფენ საჭირო ამპლიტუდას აქტიური მასალების მოსაცილებლად ელექტროდის ფოლიდან, მარტივად არის ხელმისაწვდომი. რადგან აკუსტიკური კავიტაციის ინტენსივობა მცირდება სონოტროდსა და ელექტროდს შორის მანძილის ზრდასთან ერთად, სონოტროდსა და ელექტროდს შორის მუდმივად თანაბარი მანძილი ხელსაყრელია. ეს ნიშნავს, რომ ელექტროდის ფურცელი უნდა გადაადგილდეს მჭიდროდ სონოტროდის წვერის ქვეშ, სადაც წნევის ტალღები ძლიერია და კავიტაციის სიმკვრივე მაღალია. სპეციალური სონოტროდებით, რომლებიც სტანდარტულ ცილინდრულ ულტრაბგერით პრობზე უფრო განიერი სიგანისაა, Hielscher Ultrasonics სთავაზობს ეფექტურ გადაწყვეტას ელექტრომობილების ელექტროდების ფურცლების თანაბარი დელამინაციისთვის. მაგალითად, ჩანთის ტიპის (pouch cell) ელექტრომობილის (EV) ბატარეებში გამოყენებული ელექტროდები, როგორც წესი, დაახლოებით 20 cm სიგანისაა. იგივე სიგანის სონოტროდი თანაბრად გადასცემს აკუსტიკურ კავიტაციას მთელ ელექტროდის ზედაპირზე. შესაბამისად, წამების განმავლობაში აქტიური მასალის ფენები გამოიყოფა გამხსნელში და შეიძლება იქნას ამოღებული და გაწმენდილი ფხვნილის სახით. ეს ფხვნილი შეიძლება ხელახლა იქნას გამოყენებული ახალი ბატარეების წარმოებისთვის.
დიდი ბრიტანეთის ფარადეის ინსტიტუტის სამეცნიერო ჯგუფი იუწყება, რომ აქტიური მასალის ფენების მოცილება ლითიუმ-იონური ბატარეის (LIB) ელექტროდიდან შესაძლებელია დასრულდეს 10 s-ზე ნაკლებ დროში, როდესაც ელექტროდი მდებარეობს პირდაპირ მაღალი სიმძლავრის სონოტროდის ქვეშ (1000-დან 2000 W-მდე, მაგ. UIP1000hdT ან UIP2000hdT). ულტრაბგერითი დამუშავების დროს აქტიურ მასალებსა და დენის შემკრებებს შორის არსებული ადჰეზიური ბმები ირღვევა, ისე რომ შემდგომი გაწმენდის ეტაპზე შესაძლებელია მთლიანი დენის შემკრების და ფხვნილი აქტიური მასალის აღდგენა.

სურათები აჩვენებს ულტრაბგერის ზემოქმედებას: a) ლითიუმ-იონური აკუმულატორის ანოდის ფურცლის და b) ლითიუმ-იონური აკუმულატორის კათოდის ფურცლის უკანა მხარეს. ანოდი დელამინირებული იყო 0,05 M ლიმონმჟავას ხსნარში; კათოდი დელამინირებული იყო 0,1 M NaOH-ის ხსნარში. სონოტროდის დიამეტრი იყო 20 mm, გამოიყენებოდა 120 W/cm2 სიმძლავრის ინტენსივობა 3 წამის განმავლობაში, სონოტროდიდან 2,5 mm მანძილზე. ნიმუშის ზომა იყო 3 cm x 3 cm.
(კვლევა და სურათები: Lei et al., 2021)

ულტრაბგერითი პროცესორები ელექტროდების დელამინაციისთვის

Hielscher Ultrasonics აპროექტებს, ამზადებს და ავრცელებს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით პროცესორებს, რომლებიც მუშაობენ 20kHz დიაპაზონში. Hielscher Ultrasonics-ის სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორები არის მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი პროცესორები, რომლებსაც შეუძლიათ მიაწოდონ ძალიან მაღალი ამპლიტუდები მოთხოვნადი გამოყენებისთვის. 200µm-მდე ამპლიტუდები მარტივად შეიძლება უწყვეტად იყოს ექსპლუატაციაში 24/7 რეჟიმში. კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია ინდივიდუალურად შექმნილი ულტრაბგერითი სონოტროდები. ელექტროდების უწყვეტი დელამინაციის პროცესისთვის, Hielscher გთავაზობთ სტანდარტული და ინდივიდუალურად შექმნილი სონოტროდების რიგს. სონოტროდის ზომა შეიძლება შეესაბამებოდეს ელექტროდის მასალის ზომასა და სიგანეს, რითაც მიზანში ექცევა ოპტიმალური პროცესის პირობები მაღალი გამტარუნარიანობისა და უმაღლესი აღდგენისთვის.

ლიტერატურა / რეფერენციები

• Lei, Chunhong; Aldous, Iain; Hartley, Jennifer; Thompson, Dana; Scott, Sean; Hanson, Rowan; Anderson, Paul; Kendrick, Emma; Sommerville, Rob; Ryder, Karl; Abbott, Andrew (2021): Lithium ion battery recycling using high-intensity ultrasonication. Green Chemistry 23(13), 2021.
• Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
• Zhang, Zheming; He, Wenzhi; Li, Guangming; Xia, Jing; Hu, Huikang; Huang, Juwen (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO2 from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. International Journal of Electrochemical Science 9, 2014. 3691-3700.