Elektrodu pārstrāde – Ļoti efektīvs ar ultraskaņas atslāņošanos

Elektrodu ultraskaņas atslāņošanās ļauj dažu sekunžu laikā atgūt aktīvos materiālus, piemēram, litiju, niķeli, mangānu, kobaltu utt. Tādējādi ultraskaņas elektrodu atslāņošanās padara atkārtoti izmantojamu materiālu atgūšanu no baterijām ātrāku, zaļāku un ievērojami mazāk energoietilpīgu. Pētījumi jau ir pierādījuši, ka ultraskaņas atslāņošanās var būt 100 reizes ātrāka nekā parastās pārstrādes metodes.

Jaudas ultraskaņa uzlabo aktīvo materiālu atgūšanu no elektrodiem

Ultrasoniski asistēta elektrodu atslāņošanās piedāvā ātru, efektīvu un ilgtspējīgu pieeju, atgūstot aktīvos materiālus un foliju. Šīs elektroda daļas ir vērtīgi materiāli, kurus var atkārtoti izmantot jaunu bateriju ražošanai. Ultraskaņas atslāņošanās ir ne tikai ievērojami energoefektīvāka nekā hidrometalurģijas un pirometalurģijas pārstrādes procesi, bet arī augstākas tīrības materiāli.

Akumulatora pārstrāde: elektrodu atdalīšana un atslāņošanās

Litija jonu akumulatoru (LIB) pārstrādes mērķis ir atgūt vērtīgus materiālus. Elektrodi satur dārgakmeņus un retus materiālus, piemēram, litiju, niķeli, mangānu, kobaltu utt., Kurus var efektīvi atgūt, izmantojot nepārtrauktu ultraskaņas atslāņošanās procesu. Ultraskaņas procesori, kas aprīkoti ar zondi (sonotrode), var radīt intensīvas amplitūdas. Amplitūda pārraida ultraskaņas viļņus šķidrā vidē (piemēram, šķīdinātāja vannā), kur mainīgu augstspiediena / zema spiediena ciklu dēļ rodas minūtes vakuuma burbuļi. Šie vakuuma burbuļi aug dažu ciklu laikā, līdz tie sasniedz lielumu, kurā tie nevar absorbēt papildu enerģiju. Šajā brīdī burbuļi vardarbīgi implodē. Burbuļu implosija lokāli rada ļoti enerģētiski blīvu vidi ar šķidruma strūklām ar ātrumu līdz 280m/s, intensīvām turbulencēm, ļoti augstām temperatūrām (aptuveni 5,000K), spiedienu (aptuveni 2,000atm) un attiecīgi temperatūras un spiediena atšķirībām.
Šī ultrasoniski izraisītā burbuļu implosijas parādība ir zināma akustiskā kavitācija. Akustiskās kavitācijas efekti no folijas strāvas kolektora noņem aktīvā materiāla kompozītmateriāla plēvi, kas no abām pusēm ir pārklāta ar kompozītmateriāla plēvi. aktīvais materiāls satur galvenokārt litija, mangāna oksīda (LMO) un litija niķeļa, mangāna, kobalta oksīda (LiNiMnCoO2 vai NMC) pulvera maisījumu, kā arī oglekli kā vadošu piedevu.
Ultraskaņas atslāņošanās mehānisms ir balstīts uz fiziskiem spēkiem, kas spēj izjaukt molekulārās saites. Sakarā ar jaudas ultraskaņas intensitāti bieži vien maigāki šķīdinātāji ir pietiekami, lai noņemtu aktīvā materiāla slāņus no folijas vai strāvas kolektora. Tādējādi elektroda ultraskaņas atslāņošanās ir ātrāka, videi draudzīga un ievērojami mazāk energoietilpīga.

Skenēšanas elektronu mikroskopijas (SEM) attēli, kas parāda elektrodu aktīvā materiāla morfoloģiskās izmaiņas ultraskaņas delaminācijas laikā. Visi attēli tika uzņemti ar 5000x palielinājumu un 10 kV ierosmes enerģiju. a) katoda materiāls pirms delaminācijas, b) delaminēts katoda aktīvais materiāls, c) anoda materiāls pirms delaminācijas un d) delaminēts anoda materiāls.
(pētījums un attēli: Lei et al., 2021)

Akumulatora smalcināšana salīdzinājumā ar elektrodu atdalīšanu

Aktīvā materiāla atgūšanai izmanto vai nu ūdens, vai organiskos šķīdinātājus, lai izšķīdinātu metāla foliju, polimēru saistvielu un/vai aktīvo materiālu. Procesa konstrukcija un plūsma būtiski ietekmē materiālu atgūšanas gala rezultātu. Tradicionālais akumulatoru pārstrādes process ietver akumulatoru moduļu sasmalcināšanu. Tomēr sasmalcinātos komponentus ir grūti atdalīt atsevišķās sastāvdaļās. Tas prasa sarežģītu apstrādi, lai no sasmalcinātās masas iegūtu aktīvu/vērtīgu materiālu. Lai atkārtoti izmantotu reģenerētos aktīvos materiālus, ir nepieciešama noteikta tīrības pakāpe. Ļoti tīru materiālu iegūšana no sasmalcinātas akumulatora masas ietver sarežģītus procesus, skarbus šķīdinātājus un tāpēc ir dārga. Ultraskaņas izskalošanās tiek veiksmīgi izmantota, lai pastiprinātu un uzlabotu aktīvā materiāla atgūšanas rezultātus no sasmalcinātām litija jonu baterijām.
Kā alternatīvs process tradicionālajai smalcināšanai elektrodu atdalīšana ir pierādīta kā efektīvs akumulatora pārstrādes process, kas var ievērojami uzlabot iegūto materiālu tīrību. Elektrodu atdalīšanas procesam akumulators tiek izjaukts tā galvenajās sastāvdaļās. Tā kā elektrodi satur lielāko daļu vērtīga materiāla, elektrods tiek atdalīts un ķīmiski apstrādāts, lai izšķīdinātu aktīvos materiālus (litiju, niķeli, mangānu, kobaltu ...) no pārklātās folijas vai strāvas kolektora. Ultrasonication ir labi pazīstams ar intensīvām sekām, ko izraisa akustiskā kavitācija. Sonomehāniskie spēki pielieto pietiekami daudz svārstību un bīdes, lai noņemtu aktīvos materiālus, kas ir slāņoti uz folijas. (Pārklātās folijas struktūra ir līdzīga sviestmaizei, folija centrā un aktīvā materiāla slānis veidoja ārējo virsmu.)
Elektrodu atdalīšana būtu dzīvotspējīgāks risinājums nekā sasmalcināšana, ja to izmantotu kopā ar autonomu demontāžu, ļaujot tīrākām atkritumu plūsmām un lielākai vērtības saglabāšanai padevē

Ultraskaņas sonotrodes elektrodu atslāņošanai

Ir viegli pieejami īpaši sonotrodes, kas nodrošina nepieciešamo amplitūdu, lai noņemtu aktīvos materiālus no elektrodu folijas. Tā kā akustiskās kavitācijas intensitāte samazinās, palielinoties attālumam starp sonotrodu un elektrodu, ir vēlams nepārtraukti vienmērīgs attālums starp sonotrodu un elektrodu. Tas nozīmē, ka elektrodu loksne jāpārvieto cieši zem sonotroda gala, kur spiediena viļņi ir spēcīgi un kavitācijas blīvums ir augsts. Ar īpašiem sonotrodes, kas piedāvā plašāku platumu nekā standarta cilindriskā ultraskaņas zonde, Hielscher Ultrasonics piedāvā efektīvu risinājumu elektrodu lokšņu vienmērīgai atslāņošanai no elektriskajiem transportlīdzekļiem. Piemēram, elektrodiem, ko izmanto maisiņu elementu elektrisko transportlīdzekļu (EV) akumulatoros, parasti ir aptuveni 20 cm platums. Tāda paša platuma sonotrode vienmērīgi pārraida akustisko kavitāciju uz visas elektroda virsmas. Tādējādi dažu sekunžu laikā aktīvā materiāla slāņi izdalās šķīdinātājā, un tos var ekstrahēt un attīrīt pulverī. Šo pulveri var atkārtoti izmantot jaunu bateriju ražošanai.
Apvienotās Karalistes Faradeja iestādes pētnieku komanda ziņo, ka aktīvā materiāla slāņu noņemšanu no LIB elektroda var pabeigt mazāk nekā 10 s, ja elektrods atrodas tieši zem lieljaudas sonotroda (1000 līdz 2000 W, piem. UIP1000hdT vai UIP2000hdT). Ultraskaņas apstrādes laikā līmes saites starp aktīvajiem materiāliem un strāvas kolektoriem tiek sadalītas tā, lai nākamajā attīrīšanas posmā varētu atgūt neskartu strāvas savācēju un pulverveida aktīvo materiālu.

Attēli, kas parāda ultraskaņas ietekmi aizmugurē: a) litija jonu akumulatora anoda loksnes un b) litija jonu akumulatora katoda loksnes aizmugurē. Anods tika delaminēts 0,05 M citronskābes šķīdumā; katods tika delaminēts 0,1 M NaOH šķīdumā. Sonotrode bija 20 mm diametrā, ar 120 W/cm2 jaudas intensitāti 3 sekundes, 2,5 mm attālumā no sonotroda. Parauga lielums bija 3 cm x 3 cm.
(pētījums un attēli: Lei et al., 2021)

Ultrasonikatori elektrodu atslāņošanai

Hielscher Ultrasonics projektē, ražo un izplata augstas veiktspējas ultraskaņas procesorus, kas darbojas 20kHz diapazonā. Hielscher Ultrasonics’ Rūpnieciskie ultrasonikatori ir lieljaudas ultraskaņas procesori, kas var nodrošināt ļoti augstas amplitūdas prasīgiem lietojumiem. Amplitūdas līdz 200 μm var viegli nepārtraukti darbināt 24/7 darbībā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes. Nepārtrauktam elektrodu atslāņošanās procesam Hielscher piedāvā virkni standarta, kā arī pielāgotu sonotrodes. Sonotrode izmēru var pielāgot elektrodu materiāla izmēram un platumam, tādējādi mērķējot uz optimāliem procesa apstākļiem augstai caurlaidspējai un izcilai atgūšanai.

Literatūra / Atsauces