Elektrodu pārstrāde – ļoti efektīva ar ultraskaņas delamināciju

Elektrodu delaminācija ar ultraskaņu ļauj dažu sekunžu laikā atgūt tādus aktīvos materiālus kā litijs, niķelis, mangāns, kobalts u. c. Tādējādi elektrodu delaminācija ar ultraskaņu padara atkārtoti izmantojamu materiālu atgūšanu no akumulatoriem ātrāku, videi draudzīgu un ievērojami mazāk energoietilpīgu. Pētījumi jau ir pierādījuši, ka delaminācija ar ultraskaņu var būt 100 reižu ātrāka nekā tradicionālās pārstrādes metodes.

Lieljaudas ultraskaņa uzlabo aktīvo materiālu atgūšanu no elektrodiem

Elektrodu delaminācija ar ultraskaņas palīdzību piedāvā ātru, efektīvu un ilgtspējīgu pieeju aktīvo materiālu un folijas atgūšanai. Šīs elektrodu daļas ir vērtīgi materiāli, kurus var atkārtoti izmantot jaunu akumulatoru ražošanā. Delaminācija ar ultraskaņu ir ne tikai ievērojami energoefektīvāka par hidrometalurģiskiem un pirometalurģiskiem pārstrādes procesiem, bet arī ļauj iegūt augstākas tīrības pakāpes materiālus.

Akumulatoru pārstrāde: elektrodu atdalīšana un delaminācija

Litija jonu akumulatoru (LIB) pārstrādes mērķis ir atgūt vērtīgus materiālus. Elektrodi satur dārgus un retus materiālus, piemēram, litiju, niķeli, mangānu, kobaltu u. c., kurus var efektīvi atgūt, izmantojot nepārtrauktu delaminācijas procesu ar ultraskaņu. Ultraskaņas procesori, kas aprīkoti ar zondi (sonotrodi), var radīt lielas svārstību amplitūdas. Amplitūda pārnes ultraskaņas viļņus šķidrā vidē (piemēram, šķīdinātāja vannā), kur mainīgu augsta spiediena / zema spiediena ciklu ietekmē rodas sīki vakuuma burbuļi. Šie vakuuma burbuļi vairāku ciklu laikā aug, līdz sasniedz izmēru, pie kura tie vairs nespēj absorbēt papildu enerģiju. Šajā brīdī burbuļi strauji sabrūk uz iekšu. Burbuļu implozija lokāli rada vidi ar ļoti augstu enerģijas blīvumu, kurā veidojas šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 280m/s, intensīva turbulence, ļoti augsta temperatūra (aptuveni 5 000K), spiediens (aptuveni 2 000atm) un attiecīgi temperatūras un spiediena starpības.
Šī ultraskaņas izraisītā burbuļu implozijas parādība ir pazīstama kā akustiskā kavitācija. Akustiskās kavitācijas iedarbība atdala aktīvā materiāla kompozītplēvi no folijas strāvas kolektora, kas no abām pusēm ir pārklāts ar kompozītplēvi. Aktīvais materiāls galvenokārt satur litija mangāna oksīda (LMO) un litija niķeļa mangāna kobalta oksīda (LiNiMnCoO2 jeb NMC) pulveru maisījumu, kā arī oglekļa kvēpus kā elektrovadītspēju nodrošinošu piedevu.
Delaminācijas ar ultraskaņu mehānisms balstās uz fizikāliem spēkiem, kas spēj saraut molekulārās saites. Lieljaudas ultraskaņas intensitātes dēļ bieži pietiek ar saudzīgākiem šķīdinātājiem, lai atdalītu aktīvā materiāla slāņus no folijas vai strāvas kolektora. Tādējādi elektrodu delaminācija ar ultraskaņu ir ātrāka, videi draudzīga un ievērojami mazāk energoietilpīga.

Skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) attēli, kuros redzamas elektrodu aktīvā materiāla morfoloģiskās izmaiņas pēc delaminācijas ar ultraskaņu. Visi attēli iegūti 5000x palielinājumā ar 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)

Akumulatoru sasmalcināšana salīdzinājumā ar elektrodu atdalīšanu

Aktīvā materiāla atgūšanai izmanto ūdens vai organiskos šķīdinātājus, lai izšķīdinātu metāla foliju, polimēru saistvielu un/vai aktīvo materiālu. Procesa plānojums un norise būtiski ietekmē materiālu atgūšanas galarezultātu. Tradicionālais akumulatoru pārstrādes process ietver akumulatoru moduļu sasmalcināšanu. Tomēr sasmalcinātos komponentus ir grūti sadalīt atsevišķās sastāvdaļās. Lai no sasmalcinātās masas iegūtu aktīvo/vērtīgo materiālu, nepieciešama sarežģīta apstrāde. Lai atgūtos aktīvos materiālus izmantotu atkārtoti, nepieciešama noteikta tīrības pakāpe. Augstas tīrības pakāpes materiālu iegūšana no sasmalcinātās akumulatoru masas ietver sarežģītus procesus un agresīvu šķīdinātāju izmantošanu, tādēļ tā ir dārga. Izskalošanu ar ultraskaņas palīdzību veiksmīgi izmanto, lai intensificētu aktīvo materiālu atgūšanu no sasmalcinātiem litija jonu akumulatoriem un uzlabotu tās rezultātus.
Elektrodu atdalīšana ir pierādījusi savu efektivitāti kā alternatīva tradicionālajai sasmalcināšanai akumulatoru pārstrādē, kas var ievērojami uzlabot iegūto materiālu tīrību. Elektrodu atdalīšanas procesā akumulatoru izjauc tā galvenajās sastāvdaļās. Tā kā elektrodi satur lielāko vērtīgo materiālu daļu, elektrodu atdala un ķīmiski apstrādā, lai izšķīdinātu aktīvos materiālus (litiju, niķeli, mangānu, kobaltu …), atdalot tos no pārklātās folijas vai strāvas kolektora. Apstrāde ar ultraskaņu ir labi pazīstama ar tās intensīvo iedarbību, ko izraisa akustiskā kavitācija. Sonomehāniskie spēki rada pietiekamas svārstības un bīdi, lai atdalītu aktīvos materiālus, kas slāņos uzklāti uz folijas. (Pārklātas folijas struktūra ir līdzīga sviestmaizei – folija atrodas vidū, bet aktīvā materiāla slānis veido ārējo virsmu.)
Elektrodu atdalīšana būtu piemērotāks risinājums nekā sasmalcināšana, ja to izmantotu kopā ar autonomu izjaukšanu, nodrošinot tīrākas atkritumu plūsmas un lielāku vērtības saglabāšanu piegādē

Ultraskaņas sonotrodes elektrodu atslāņošanai

Ir viegli pieejamas īpašas sonotrodes, kas nodrošina nepieciešamo amplitūdu aktīvo materiālu atdalīšanai no elektroda folijas. Tā kā akustiskās kavitācijas intensitāte samazinās, palielinoties attālumam starp sonotrodi un elektrodu, ir vēlams pastāvīgi uzturēt vienādu attālumu starp sonotrodi un elektrodu. Tas nozīmē, ka elektroda loksne jāpārvieto cieši zem sonotrodes gala, kur spiediena viļņi ir spēcīgi un kavitācijas blīvums ir augsts. Ar īpašām sonotrodēm, kas ir platākas par standarta cilindrisko ultraskaņas zondi, Hielscher Ultrasonics piedāvā efektīvu risinājumu elektrotransportlīdzekļu elektrodu lokšņu vienmērīgai atslāņošanai. Piemēram, elektrotransportlīdzekļu (EV) akumulatoros ar maisiņveida elementiem izmantoto elektrodu platums parasti ir aptuveni 20 cm. Tāda paša platuma sonotrode vienmērīgi rada akustisko kavitāciju uz visas elektroda virsmas. Tādējādi aktīvā materiāla slāņi dažu sekunžu laikā atdalās un nonāk šķīdinātājā, un tos var ekstrahēt un attīrīt, iegūstot pulveri. Šo pulveri var atkārtoti izmantot jaunu akumulatoru ražošanā.
Apvienotās Karalistes Faraday Institution pētnieku grupa ziņo, ka aktīvā materiāla slāņu atdalīšanu no litija jonu akumulatora (LIB) elektroda var pabeigt mazāk nekā 10 s laikā, ja elektrods atrodas tieši zem lieljaudas sonotrodes (1000 līdz 2000 W, piemēram, UIP1000hdT vai UIP2000hdT). Apstrādes laikā ar ultraskaņu tiek sarautas adhēzijas saites starp aktīvajiem materiāliem un strāvas kolektoriem, tādējādi nākamajā attīrīšanas posmā var atgūt neskartu strāvas kolektoru un pulverveida aktīvo materiālu.

Attēli parāda ultraskaņas ietekmi uz a) litija jonu akumulatora anoda loksnes un b) litija jonu akumulatora katoda loksnes aizmugurējo pusi. Anods tika atslāņots 0,05 M citronskābes šķīdumā; katods tika atslāņots 0,1 M NaOH šķīdumā. Sonotrodes diametrs bija 20 mm, un 3 sekundes tika piemērota 120 W/cm2 jaudas intensitāte 2,5 mm attālumā no sonotrodes. Parauga izmērs bija 3 cm x 3 cm.
(pētījums un attēli: Lei et al., 2021)

Ultraskaņas apstrādes ierīces elektrodu atslāņošanai

Hielscher Ultrasonics projektē, ražo un izplata augstas veiktspējas ultraskaņas procesorus, kas darbojas 20kHz diapazonā. Hielscher Ultrasonics rūpnieciskās ultraskaņas apstrādes ierīces ir lielas jaudas ultraskaņas procesori, kas var nodrošināt ļoti augstas amplitūdas prasīgiem lietojumiem. Amplitūdas līdz 200µm var viegli uzturēt nepārtrauktā darbībā 24/7 režīmā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejamas individuāli pielāgotas ultraskaņas sonotrodes. Nepārtrauktam elektrodu atslāņošanas procesam Hielscher piedāvā gan standarta, gan individuāli pielāgotas sonotrodes. Sonotrodes izmēru var pielāgot elektroda materiāla izmēram un platumam, tādējādi nodrošinot optimālus procesa apstākļus augsta ražīguma un izcilas materiālu atgūšanas sasniegšanai.

Literatūra / Atsauces

• 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.