전극 재활용 – 초음파 박리로 매우 효율적입니다.

전극의 초음파 박리를 통해 리튬, 니켈, 망간, 코발트 등과 같은 활성 물질을 몇 초 내에 회수 할 수 있습니다. 따라서 초음파 전극 박리는 배터리에서 재사용 가능한 재료를 더 빠르고 친환경적이며 에너지 집약적으로 크게 만듭니다. 연구에 따르면 초음파 박리는 기존 재활용 기술보다 100 배 빠를 수 있습니다.

Power Ultrasound는 전극에서 활성 물질의 회수를 향상시킵니다.

전극의 초음파 접합 박리는 활성 물질과 호일을 빠르고 효율적이며 지속 가능한 방식으로 회수합니다. 전극의 이러한 부분은 새 배터리 제조에 재사용할 수 있는 귀중한 재료입니다. 초음파 박리는 습식 제련 및 열제련 재활용 공정보다 에너지 효율이 훨씬 높을 뿐만 아니라 더 높은 순도의 재료에서도 수율을 얻을 수 있습니다.

배터리 재활용: 전극 분리 및 박리

리튬 이온 배터리(LIB) 재활용은 귀중한 재료를 회수하는 것을 목표로 합니다. 전극에는 리튬, 니켈, 망간, 코발트 등과 같은 귀중하고 희귀한 재료가 포함되어 있으며 연속 초음파 박리 공정을 사용하여 효율적으로 회수할 수 있습니다. 프로브 (sonotrode)가 장착 된 초음파 프로세서는 강렬한 진폭을 생성 할 수 있습니다. 진폭은 초음파를 액체 매체(예: 용매 수조)로 전송하며, 여기서 교대로 발생하는 고압/저압 사이클로 인해 미세한 진공 기포가 발생합니다. 이러한 진공 기포는 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 크기에 도달할 때까지 몇 주기에 걸쳐 성장합니다. 이 시점에서 거품이 격렬하게 붕괴됩니다. 버블 내파는 최대 280m/s 속도의 액체 제트, 강렬한 난기류, 매우 높은 온도(약 5,000K), 압력(약 2,000atm) 및 그에 따른 온도 및 압력 차이로 인해 매우 에너지 밀도가 높은 환경을 국부적으로 생성합니다.
이러한 초음파에 의한 기포 내파 현상은 음향 캐비테이션(acoustic cavitation)이라고 알려져 있습니다. 음향 캐비테이션의 효과는 복합 필름으로 양면이 코팅된 호일 집전체에서 활성 물질의 복합 필름을 제거합니다. 활물질은 대부분 리튬 망간 산화물(LMO)과 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(LiNiMnCoO2 또는 NMC) 분말의 혼합물과 전도성 첨가제로 카본 블랙을 포함합니다.
초음파 박리의 메커니즘은 분자 결합을 끊을 수있는 물리적 힘을 기반으로합니다. power-ultrasound의 강도로 인해 종종 더 약한 용매가 호일 또는 집전체에서 활성 물질 층을 제거하기에 충분합니다. 따라서 전극의 초음파 박리는 더 빠르고 환경 친화적이며 에너지 집약도가 훨씬 적습니다.

초음파 박리 시 전극 활물질의 형태학적 변화를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 이미지. 모든 이미지는 5000x 배율과 10kV 여기 에너지로 촬영되었습니다. a) 양극 재료 사전 박리, b) 박리 음극 활물질, c) 양극 재료 사전 박리 및 d) 박리 음극 재료.
(연구 및 사진: Lei et al., 2021)

배터리 파쇄 vs. 전극 분리

활물질의 회수를 위해 수성 또는 유기 용매를 사용하여 금속 호일, 폴리머 바인더 및/또는 활물질을 용해시킵니다. 공정 설계와 흐름은 재료 회수의 최종 결과에 큰 영향을 미칩니다. 기존의 배터리 재활용 프로세스에는 배터리 모듈의 파쇄가 포함됩니다. 그러나 파쇄된 부품은 개별 부품으로 분리하기 어렵습니다. 파쇄된 덩어리에서 활성/가치 있는 물질을 얻기 위해 복잡한 가공이 필요합니다. 회수된 활물질을 재사용하기 위해서는 어느 정도의 순도가 필요합니다. 파쇄된 배터리 벌크에서 고순도 물질을 회수하는 것은 복잡한 공정과 가혹한 용매를 포함하므로 비용이 많이 듭니다. 초음파 침출은 파쇄 된 리튬 이온 배터리에서 활물질 회수 결과를 강화하고 향상시키는 데 성공적으로 사용됩니다.
전통적인 파쇄에 대한 대안 공정으로 전극 분리는 얻은 재료의 순도를 크게 향상시킬 수 있는 효과적인 배터리 재활용 공정으로 나타났습니다. 전극 분리 공정을 위해 배터리는 주요 구성 요소로 분해됩니다. 전극에는 가장 많은 귀중한 물질이 포함되어 있기 때문에 전극을 분리하고 화학적으로 처리하여 코팅된 호일 또는 집전체에서 활성 물질(리튬, 니켈, 망간, 코발트 등)을 용해시킵니다. 초음파는 음향 캐비테이션으로 인한 강렬한 효과로 잘 알려져 있습니다. 초음파 역학적 힘은 호일 위에 층이 쌓인 활성 물질을 제거하기에 충분한 진동과 전단을 적용합니다. (코팅된 호일의 구조는 샌드위치와 유사하며, 중앙의 호일과 활물질층이 외부 표면을 구성합니다.)
전극 분리는 자율 분해와 함께 사용할 경우 파쇄보다 더 실행 가능한 옵션이 될 수 있으며, 이를 통해 더 순수한 폐기물 흐름과 공급 가치의 더 큰 보존을 가능하게 합니다

전극 박리를 위한 초음파 Sonotrodes

전극 호일에서 활성 물질을 제거하는 데 필요한 진폭을 제공하는 특수 소노트로드는 쉽게 사용할 수 있습니다. sonotrode와 전극 사이의 거리가 증가함에 따라 음향 캐비테이션의 강도가 감소함에 따라 sonotrode와 전극 사이의 연속적으로 균일 한 거리가 유리합니다. 즉, 전극 시트는 압력파가 강하고 캐비테이션 밀도가 높은 sonotrode 팁 아래로 밀접하게 이동해야 합니다. 표준 원통형 초음파 프로브보다 더 넓은 너비를 제공하는 특수 소노트로드를 통해 Hielscher 초음파는 전기 자동차에서 전극 시트의 균일 한 박리를위한 효율적인 솔루션을 제공합니다. 예를 들어, 파우치 셀 전기 자동차(EV) 배터리에 사용되는 전극의 너비는 일반적으로 약 20cm입니다. 동일한 너비의 sonotrode는 전체 전극 표면에서 음향 캐비테이션을 균일하게 전달합니다. 따라서 몇 초 내에 활성 물질 층이 용매로 방출되고 분말로 추출 및 정제될 수 있습니다. 이 분말은 새 배터리 생산에 재사용할 수 있습니다.
영국의 패러데이 연구소(Faraday Institution)의 연구팀은 전극이 고출력 소노트로드(1000 내지 2000 W) 바로 아래에 위치할 때 LIB 전극에서 활물질층의 제거가 10초 이내에 완료될 수 있다고 보고합니다. UIP1000hdt 또는 UIP2000hdT 님). 초음파 처리 중에는 활물질과 집전체 사이의 접착 결합이 끊어져 후속 정제 단계에서 온전한 집전체와 분말화된 활물질을 회수할 수 있습니다.

a) 리튬 이온 배터리 양극 시트 및 b) 리튬 이온 배터리 음극 시트의 뒷면에 대한 초음파의 효과를 보여주는 이미지. 양극을 0.05M 시트르산 용액에서 박리하고; 음극을 0.1M NaOH의 용액으로 박리하였다. sonotrode는 직경이 20mm이고 sonotrode에서 2.5mm 떨어진 곳에서 3초 동안 120W/cm2 출력 강도가 적용되었습니다. 샘플 크기는 3cm x 3cm였습니다.
(연구 및 사진: Lei et al., 2021)

전극 박리를 위한 초음파발생기

Hielscher 초음파는 20kHz 범위에서 작동하는 고성능 초음파 프로세서를 설계, 제조 및 유통합니다. Hielscher 초음파’ 산업용 초음파기는 까다로운 응용 분야에 매우 높은 진폭을 제공 할 수있는 고출력 초음파 프로세서입니다. 최대 200μm의 진폭을 24/7 작동에서 쉽게 연속적으로 실행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 전극의 연속 박리 공정을 위해 Hielscher는 다양한 표준 및 맞춤형 소노트로드를 제공합니다. sonotrode 크기는 전극 재료의 크기와 너비에 맞게 조정할 수 있으므로 높은 처리량과 우수한 회수율을 위한 최적의 공정 조건을 목표로 할 수 있습니다.

문헌 / 참고문헌