전극 재활용 – 초음파 박리로 고효율

전극의 초음파 박리는 몇 초 안에 리튬, 니켈, 망간, 코발트 등과 같은 활성 물질을 회수 할 수 있습니다. 따라서 초음파 전극 박리는 배터리에서 재사용 가능한 재료의 회수를 더 빠르고 친환경적이며 에너지 집약적 인 것으로 크게 줄입니다. 연구에 따르면 초음파 박리가 기존 재활용 기술보다 100 배 빠를 수 있음이 이미 입증되었습니다.

전력 초음파는 전극에서 활성 물질의 회수를 향상시킵니다.

전극의 초음파 동화 박리는 활성 물질과 호일을 회수하는 빠르고 효율적이며 지속 가능한 접근 방식을 제공합니다. 전극의이 부분은 새로운 배터리의 제조에 재사용 될 수있는 귀중한 재료입니다. 초음파 박리는 수력 야금 및 열야금 재활용 공정보다 훨씬 에너지 효율적 일뿐만 아니라 더 높은 순도의 재료에서도 생산됩니다.

배터리 재활용: 전극 분리 및 박리

리튬 이온 배터리 (LIB) 재활용은 귀중한 재료를 회수하는 것을 목표로합니다. 전극에는 리튬, 니켈, 망간, 코발트 등과 같은 귀중하고 희귀 한 물질이 포함되어 있으며 연속 초음파 박리 공정을 사용하여 효율적으로 회수 할 수 있습니다. 프로브 (sonotrode)가 장착 된 초음파 프로세서는 강렬한 진폭을 생성 할 수 있습니다. 진폭은 초음파를 액체 매체 (예를 들어, 용매 배쓰) 내로 전달하며, 여기서 고압/저압 사이클의 교대로 인해 미세한 진공 기포가 발생한다. 이 진공 기포는 더 이상의 에너지를 흡수 할 수없는 크기에 도달 할 때까지 몇 사이클에 걸쳐 자랍니다. 이 시점에서 거품은 격렬하게 폭발합니다. 버블 내파는 최대 280m/s 속도의 액체 제트기, 강렬한 난기류, 매우 높은 온도 (약 5,000K), 압력 (약 2,000atm) 및 그에 따라 온도 및 압력 차이로 매우 에너지 밀도가 높은 환경을 국부적으로 생성합니다.
이러한 초음파 유도 기포 내파 현상은 음향 캐비테이션으로 알려져 있다. 음향 캐비테이션의 효과는 복합 필름으로 양면에 코팅되는 호일 집전체로부터 활성 물질의 복합 필름을 제거합니다. 활성 물질은 주로 리튬 망간 산화물 (LMO)과 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 (LiNiMnCoO2 또는 NMC) 분말뿐만 아니라 전도성 첨가제로서 카본 블랙의 혼합물을 포함합니다.
초음파 박리의 메커니즘은 분자 결합을 깨뜨릴 수있는 물리적 힘을 기반으로합니다. 전력-초음파의 강도로 인해 종종 더 가벼운 용매는 호일 또는 집전체로부터 활성 물질의 층을 제거하기에 충분하다. 따라서 전극의 초음파 박리가 더 빠르고 환경 친화적이며 에너지 집약도가 현저히 적습니다.

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

배터리 파쇄 vs. 전극 분리

활성 물질의 회수를 위해 수성 또는 유기 용매가 금속 호일, 중합체 결합제 및/또는 활성 물질을 용해시키는데 사용된다. 공정 설계 및 흐름은 재료 회수의 최종 결과에 큰 영향을 미칩니다. 전통적인 배터리 재활용 공정에는 배터리 모듈의 파쇄가 포함됩니다. 그러나 파쇄 된 구성 요소는 개별 구성 요소로 분리하기가 어렵습니다. 파쇄 된 질량에서 활성 / 가치있는 재료를 얻기 위해서는 복잡한 처리가 필요합니다. 회수 된 활성 물질을 재사용하려면 어느 정도의 순도가 필요합니다. 파쇄 된 배터리 벌크에서 고순도 재료를 검색하는 것은 복잡한 공정, 가혹한 용제를 필요로하므로 비용이 많이 듭니다. 초음파 침출은 파쇄 된 리튬 이온 배터리에서 활물질 회수 결과를 강화하고 향상시키는 데 성공적으로 사용됩니다.
전통적인 파쇄에 대한 대안 공정으로서, 전극 분리는 수득된 물질의 순도를 상당히 향상시킬 수 있는 효과적인 배터리 재활용 공정으로 나타났다. 전극 분리 공정의 경우, 전지는 주요 부품으로 분해됩니다. 전극은 귀중한 물질의 가장 큰 몫을 포함하기 때문에, 전극은 코팅 된 호일 또는 집전체로부터 활성 물질 (리튬, 니켈, 망간, 코발트 ...)을 용해시키기 위해 화학적으로 분리 및 처리됩니다. 초음파는 음향 캐비테이션으로 인한 강렬한 효과로 잘 알려져 있습니다. 초음파 역학적 힘은 호일 위에 층층된 활성 물질을 제거하기 위해 충분한 진동과 전단을 가합니다. (코팅된 호일의 구조는 샌드위치와 유사하며, 중앙에 있는 호일과 활물질층이 바깥쪽 표면을 만들었다.)
전극 분리는 자율 분해와 함께 사용될 때 파쇄보다 더 실용적인 옵션을 만들어 더 순수한 폐기물 흐름과 공급에서 더 큰 가치 유지를 가능하게합니다.

전극 박리를위한 초음파 Sonotrodes

전극 호일에서 활성 물질을 제거하기 위해 필요한 진폭을 전달하는 특수 sonotrodes를 쉽게 사용할 수 있습니다. sonotrode와 전극 사이의 거리가 증가함에 따라 음향 캐비테이션의 강도가 감소함에 따라 sonotrode와 전극 사이의 지속적으로 균일 한 거리가 유리합니다. 즉, 전극 시트는 압력파가 강하고 캐비테이션 밀도가 높은 sonotrode 팁 아래로 가깝게 이동해야합니다. 표준 원통형 초음파 프로브보다 넓은 너비를 제공하는 특수 sonotrodes를 통해 Hielscher 초음파는 전기 자동차에서 전극 시트를 균일하게 박리하기위한 효율적인 솔루션을 제공합니다. 예를 들어, 파우치 셀 전기 자동차 (EV) 배터리에 사용되는 전극은 일반적으로 약 20cm의 너비를 가지고 있습니다. 동일한 폭의 소노트로드는 전체 전극 표면에서 음향 캐비테이션을 균일하게 전달합니다. 이에 의해, 수초 내에 활성 물질의 층이 용매 내로 방출되고 분말로 추출되고 정제될 수 있다. 이 분말은 새로운 배터리 생산에 재사용 될 수 있습니다.
영국의 패러데이 연구소 (Faraday Institution)의 연구팀은 전극이 고출력 sonotrode (예 : 1000 ~ 2000 W) 바로 아래에 위치할 때 LIB 전극에서 활성 물질 층의 제거가 10 초 이내에 완료 될 수 있다고보고했습니다. UIP1000hdT 또는 UIP2000hdT). 초음파 처리 동안 활성 물질과 집전체 사이의 접착 결합이 깨져서 후속 정제 단계에서 손상되지 않은 집전체와 분말 활성 물질을 회수 할 수 있습니다.

a) 리튬 이온 배터리 양극 시트 및 b) 리튬 이온 배터리 음극 시트의 뒷면에 대한 초음파의 효과를 보여주는 이미지. 애노드를 0.05 M 시트르산의 용액에서 탈적층시키고; 캐소드를 0.1 M NaOH의 용액에서 탈적층하였다. sonotrode는 직경이 20mm였으며 sonotrode에서 2.5mm 떨어진 곳에서 3 초 동안 120W / cm2 전력 강도가 적용되었습니다. 샘플 크기는 3 cm x 3 cm였다.
(연구 및 사진 : Lei et al., 2021)

전극 박리를위한 초음파 장치

Hielscher 초음파는 20kHz 범위에서 작동하는 고성능 초음파 프로세서를 설계, 제조 및 배포합니다. 히엘셔 초음파’ 산업용 초음파 발생기는 까다로운 응용 분야에 매우 높은 진폭을 제공 할 수있는 고출력 초음파 프로세서입니다. 최대 200μm의 진폭은 24/7 작동에서 쉽게 연속적으로 실행될 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해, 주문을 받아서 만들어진 초음파 sonotrodes를 이용할 수 있습니다. 전극의 지속적인 박리 공정을 위해 Hielscher는 다양한 표준 및 맞춤형 sonotrodes를 제공합니다. sonotrode 크기는 전극 재료의 크기와 너비에 맞게 조정할 수 있으므로 높은 처리량과 우수한 회수를위한 최적의 공정 조건을 목표로합니다.

문학 / 참고 문헌