Elektroderecycling – Héich effizient mat Ultraschalldelaminatioun

D’Ultraschalldelaminatioun vun Elektroden erméiglecht et, aktiv Materialie wéi Lithium, Néckel, Mangan, Kobalt asw. bannent Sekonnen zeréckzegewannen. Doduerch mécht d’Ultraschalldelaminatioun vun Elektroden d’Réckgewënnung vu Materialien aus Batterien, déi nees kënne benotzt ginn, méi séier, ëmweltfrëndlech an däitlech manner energieintensiv. D’Fuerschung huet scho bewisen, datt d’Ultraschalldelaminatioun 100-mol méi séier ka si wéi konventionell Recyclingtechniken.

Leeschtungsultraschall verbessert d’Réckgewënnung vun aktive Materialien aus Elektroden

D’ultraschallënnerstëtzt Delaminatioun vun Elektrode bitt eng séier, effizient an nohalteg Approche fir d’Réckgewënnung vun aktive Materialien an der Folie. Dës Deeler vun der Elektrod si wäertvoll Materialien, déi fir d’Hierstellung vun neie Batterien nees kënne benotzt ginn. D’Ultraschalldelaminatioun ass net nëmmen däitlech méi energieeffizient wéi hydrometallurgesch a pyrometallurgesch Recyclingprozesser, mee liwwert och Materialie mat méi héijer Rengheet.

Batterierecycling: Trennung an Delaminatioun vun Elektroden

D’Recycling vu Lithiumionebatterien (LIB) huet als Zil, wäertvoll Materialien zeréckzegewannen. D’Elektroden enthalen wäertvoll a seele Materialie wéi Lithium, Néckel, Mangan, Kobalt asw., déi mat engem kontinuéierlechen Ultraschalldelaminatiounsprozess effizient zeréckgewonne kënne ginn. Ultraschallprozessoren, déi mat enger Sond (Sonotrod) equipéiert sinn, kënnen héich Amplituden erzeugen. D’Amplitud iwwerdréit Ultraschallwellen an dat flëssegt Medium (z. B. e Léisungsmëttelbad), wou duerch ofwiesselnd Héichdrock- / Nidderdrockzyklen winzeg Vakuumblosen entstinn. Dës Vakuumblose wuessen iwwer e puer Zyklen, bis se eng Gréisst erreechen, bei där se keng weider Energie méi ophuele kënnen. Zu dësem Zäitpunkt implodéieren d’Blose mat grousser Kraaft. D’Implosioun vun de Blosen erzeugt lokal en Ëmfeld mat ganz héijer Energiedicht, mat Flëssegkeetsstrale mat enger Vitess vu bis zu 280m/s, intensiven Turbulenzen, ganz héijen Temperaturen (ongeféier 5.000K), Drécker (ongeféier 2.000atm) an entspriechenden Temperatur- an Drockënnerscheeder.
Dëst Phenomeen vun der duerch Ultraschall ausgeléister Blosenimplosioun ass als akustesch Kavitatioun bekannt. D’Effekter vun der akustescher Kavitatioun entfernen de Kompositfilm aus aktivem Material vum Stroumkollektor aus Folie, deen op béide Säite mam Kompositfilm beschicht ass. Dat aktivt Material enthält haaptsächlech eng Mëschung aus Lithium-Manganoxid (LMO) a Lithium-Néckel-Mangan-Kobaltoxid (LiNiMnCoO2 oder NMC) a Polverform souwéi Kueleschwaarz als elektresch leedfäegen Zousazstoff.
De Mechanismus vun der Ultraschalldelaminatioun baséiert op physikalesche Kräften, déi molekular Bindunge brieche kënnen. Wéinst der Intensitéit vum Leeschtungsultraschall ginn dacks méi mëll Léisungsmëttel duer, fir d’Schichte vun aktivem Material vun der Folie oder dem Stroumkollektor ze entfernen. Doduerch ass d’Ultraschalldelaminatioun vun der Elektrod méi séier, ëmweltfrëndlech an däitlech manner energieintensiv.

Biller aus der Rasterelektronemikroskopie (SEM), déi d’morphologesch Verännerunge vum aktive Material vun der Elektrod bei der Ultraschalldelaminatioun weisen. All Biller goufe bei enger 5000x Vergréisserung an enger Ureegungsenergie vun 10 kV opgeholl. a) Kathodematerial virun der Delaminatioun, b) delaminéiert aktivt Kathodematerial, c) Anodematerial virun der Delaminatioun an d) delaminéiert Anodematerial.
(Etüd a Biller: Lei et al., 2021)

Zerklengere vu Batterien am Verglach mat der Trennung vun Elektroden

Fir d’Aktivmaterial zeréckzegewannen, ginn entweder wässerlech oder organesch Léisungsmëttel benotzt, fir d’Metallfolie, de polymere Bindemëttel an/oder d’Aktivmaterial opzeléisen. D’Gestaltung an den Oflaf vum Prozess beaflossen d’Endresultat vun der Materialréckgewënnung wesentlech. Den traditionelle Batterierecyclingsprozess ëmfaasst d’Zerklengere vun de Batteriemodullen. Allerdéngs loosse sech zerklengert Komponenten nëmme schwéier an eenzel Bestanddeeler trennen. Et ass eng komplex Veraarbechtung néideg, fir aktivt/wäertvollt Material aus der zerklengerter Mass ze gewannen. Fir zeréckgewonnen Aktivmaterialien erëmzeverwenden, ass e gewëssene Rengheetsgrad néideg. D’Gewanne vun héichrenge Materialien aus zerklengertem Batteriematerial erfuerdert komplex Prozesser an aggressiv Léisungsmëttel an ass dofir deier. Ultraschallauslaugung gëtt erfollegräich agesat, fir d’Réckgewënnung vun Aktivmaterial aus zerklengerte Lithiumionebatterien ze verstäerken an hir Resultater ze verbesseren.
Als Alternativ zum traditionellen Zerklengeren huet sech d’Elektrodentrennung als wierksame Batterierecyclingsprozess erwisen, deen d’Rengheet vun de gewonnene Materialien wesentlech verbessere kann. Fir d’Elektrodentrennung gëtt d’Batterie an hir Haaptbestanddeeler zerluet. Well d’Elektroden de gréissten Undeel u wäertvollem Material enthalen, gëtt d’Elektrod ofgetrennt a cheemesch behandelt, fir d’Aktivmaterialien (Lithium, Néckel, Mangan, Kobalt …) vun der beschichteter Folie oder vum Stroumsammler ofzeléisen. D’Ultraschallbehandlung ass fir hir intensiv Effekter bekannt, déi duerch akustesch Kavitatioun verursaacht ginn. Déi sonomechanesch Kräfte bewierke genuch Schwéngung a Scherung, fir d’Aktivmaterialien ewechzehuelen, déi a Schichten op d’Folie opgedroe sinn. (D’Struktur vun enger beschichteter Folie gläicht engem Sandwich, mat der Folie an der Mëtt an der Aktivmaterialschicht, déi déi baussenzeg Uewerfläch bilt.)
D’Elektrodentrennung wier eng méi praktikabel Optioun wéi d’Zerklengeren, wann se zesumme mat enger autonomer Demontage agesat gëtt, wouduerch méi reng Offallstréim an e méi héije Wäerterhalt an der Versuergung méiglech wieren

Ultraschallsonotroden fir d’Elektrodendelaminatioun

Speziell Sonotroden, déi déi néideg Amplitud liwweren, fir d’Aktivmaterialien vun der Elektrodefolie ewechzehuelen, si liicht disponibel. Well d’Intensitéit vun der akustescher Kavitatioun mat zouhuelendem Ofstand tëscht der Sonotrod an der Elektrod ofhëlt, ass e konstant gläichméissegen Ofstand tëscht der Sonotrod an der Elektrod gënschteg. Dat bedeit, datt d’Elektrodeblat no ënner der Spëtzt vun der Sonotrod laanschtgefouert soll ginn, wou d’Drockwelle staark sinn an d’Kavitatiounsdicht héich ass. Mat spezielle Sonotroden, déi méi breet si wéi déi zylindresch Standardultraschallsond, bitt Hielscher Ultrasonics eng effizient Léisung fir déi gläichméisseg Delaminatioun vun Elektrodeblieder aus Elektrogefierer. Zum Beispill hunn Elektroden, déi a Batterië mat Pouch-Zelle fir Elektrogefierer (EV) agesat ginn, typescherweis eng Breet vun ongeféier 20 cm. Eng Sonotrod mat där selwechter Breet vermëttelt akustesch Kavitatioun gläichméisseg iwwer déi ganz Elektrodenuewerfläch. Doduerch ginn d’Schichte vum Aktivmaterial bannent Sekonnen an d’Léisungsmëttel fräigesat a kënnen extrahéiert an zu Polver gerengegt ginn. Dëse Polver ka fir d’Produktioun vun neie Batterien erëmbenotzt ginn.
D’Fuerschungsekipp vun der Faraday Institution a Groussbritannien bericht, datt d’Ewechhuele vun den Aktivmaterialschichte vun enger LIB-Elektrod a manner wéi 10 s ofgeschloss ka ginn, wann d’Elektrod direkt ënner enger Sonotrod mat héijer Leeschtung läit (1000 bis 2000 W, z. B. UIP1000hdT oder UIP2000hdT). Wärend der Ultraschallbehandlung ginn d’Haftbindungen tëscht den Aktivmaterialien an de Stroumsammler opgebrach, soudatt an engem uschléissende Rengegungsschrëtt en intakte Stroumsammler an Aktivmaterial a Polverform zeréckgewonne kënne ginn.

Biller, déi den Effekt vum Ultraschall op der Récksäit vun: a) enger Anodefolie vun enger Lithium-Ione-Batterie a b) enger Kathodefolie vun enger Lithium-Ione-Batterie weisen. D’Anod gouf an enger Léisung vun 0,05 M Zitrounesaier delaminéiert; d’Kathod gouf an enger Léisung vun 0,1 M NaOH delaminéiert. D’Sonotrod hat en Duerchmiesser vun 20 mm, an eng Leeschtungsintensitéit vun 120 W/cm2 gouf fir 3 Sekonnen op enger Distanz vun 2,5 mm vun der Sonotrod applizéiert. D’Proufgréisst war 3 cm x 3 cm.
(Etüd a Biller: Lei et al., 2021)

Ultraschallapparater fir d’Delaminéierung vun Elektroden

Hielscher Ultrasonics entwéckelt, fabrizéiert a verdeelt héichleeschtungsfäeg Ultraschallprozessoren, déi am Beräich vun 20kHz schaffen. Déi industriell Ultraschallapparater vun Hielscher Ultrasonics sinn Ultraschallprozessoren mat héijer Leeschtung, déi ganz héich Amplitudë fir usprochsvoll Uwendunge liwwere kënnen. Amplitudë vu bis zu 200µm kënne problemlos kontinuéierlech am 24/7-Betrib agesat ginn. Fir nach méi héich Amplitudë si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel. Fir de kontinuéierlechen Delaminéierungsprozess vun Elektroden bitt Hielscher eng Rei vu Standardsonotroden a personaliséierte Sonotroden un. D’Gréisst vun der Sonotrod kann un d’Gréisst an d’Breet vum Elektrodematerial ugepasst ginn, fir optimal Prozessbedéngunge fir en héijen Duerchsaz an eng iwwerleeë Réckgewënnung unzestriewen.

Literatur / Referenzen

• 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.