Elektroderecycling – zeer efficiënt met ultrasone delaminatie

Ultrasone delaminatie van elektroden maakt het mogelijk om actieve materialen zoals lithium, nikkel, mangaan, kobalt enz. binnen enkele seconden terug te winnen. Daardoor maakt ultrasone elektrodedelaminatie de terugwinning van herbruikbare materialen uit batterijen sneller, milieuvriendelijk en aanzienlijk minder energie-intensief. Onderzoek heeft al aangetoond dat ultrasone delaminatie 100 keer sneller kan zijn dan conventionele recyclingtechnieken.

Krachtig ultrageluid verbetert de terugwinning van actieve materialen uit elektroden

Ultrasoon ondersteunde delaminatie van elektroden biedt een snelle, efficiënte en duurzame aanpak voor de terugwinning van actieve materialen en de folie. Deze onderdelen van de elektrode zijn waardevolle materialen die opnieuw kunnen worden gebruikt voor de productie van nieuwe batterijen. Ultrasone delaminatie is niet alleen aanzienlijk energiezuiniger dan hydrometallurgische en pyrometallurgische recyclingprocessen, maar levert ook materialen met een hogere zuiverheid op.

Batterijrecycling: elektrodescheiding en delaminatie

Recycling van lithium-ionbatterijen (LIB) is gericht op het terugwinnen van waardevolle materialen. De elektroden bevatten kostbare en zeldzame materialen zoals lithium, nikkel, mangaan, kobalt enz., die efficiënt kunnen worden teruggewonnen met een continu ultrasoon delaminatieproces. Ultrasone processoren die zijn uitgerust met een sonde (sonotrode) kunnen hoge amplitudes genereren. De amplitude brengt ultrasone golven over in het vloeibare medium (bijv. een oplosmiddelbad), waar door afwisselende hogedruk- / lagedrukcycli minuscule vacuümbellen ontstaan. Deze vacuümbellen groeien gedurende enkele cycli totdat ze een grootte bereiken waarbij ze geen verdere energie meer kunnen opnemen. Op dat moment imploderen de bellen met grote kracht. De implosie van de bellen genereert plaatselijk een omgeving met een zeer hoge energiedichtheid, met vloeistofstralen met snelheden tot 280m/s, intense turbulentie, zeer hoge temperaturen (ca. 5.000K), drukken (ca. 2.000atm) en bijbehorende temperatuur- en drukverschillen.
Dit verschijnsel van ultrasoon geïnduceerde implosie van bellen staat bekend als akoestische cavitatie. De effecten van akoestische cavitatie verwijderen de composietfilm van actief materiaal van de stroomcollector in de vorm van folie, die aan beide zijden met de composietfilm is bedekt. Het actieve materiaal bevat voornamelijk een mengsel van lithiummangaanoxide (LMO) en poeder van lithiumnikkelmangaankobaltoxide (LiNiMnCoO2 of NMC), evenals roet als geleidend additief.
Het mechanisme van ultrasone delaminatie berust op fysieke krachten die moleculaire bindingen kunnen verbreken. Door de intensiteit van krachtig ultrageluid zijn mildere oplosmiddelen vaak voldoende om de lagen actief materiaal van de folie of stroomcollector te verwijderen. Daardoor is ultrasone delaminatie van elektroden sneller, milieuvriendelijk en aanzienlijk minder energie-intensief.

Beelden van rasterelektronenmicroscopie (SEM) die de morfologische veranderingen van het actieve elektrodemateriaal bij ultrasone delaminatie tonen. Alle beelden zijn gemaakt bij een vergroting van 5000x en een excitatie-energie van 10 kV. a) kathodemateriaal vóór delaminatie, b) gedelamineerd actief kathodemateriaal, c) anodemateriaal vóór delaminatie en d) gedelamineerd anodemateriaal.
(onderzoek en afbeeldingen: Lei et al., 2021)

Batterijen versnipperen versus elektrodescheiding

Voor de terugwinning van het actieve materiaal worden waterige of organische oplosmiddelen gebruikt om de metaalfolie, het polymeerbindmiddel en/of het actieve materiaal op te lossen. Het procesontwerp en het procesverloop hebben een aanzienlijke invloed op het uiteindelijke resultaat van de materiaalterugwinning. Het traditionele batterijrecyclingproces omvat het versnipperen van de batterijmodules. Versnipperde onderdelen zijn echter moeilijk te scheiden in afzonderlijke componenten. Er is een complexe verwerking nodig om actief/waardevol materiaal uit de versnipperde massa te verkrijgen. Om teruggewonnen actieve materialen opnieuw te kunnen gebruiken, is een bepaalde mate van zuiverheid vereist. Het terugwinnen van zeer zuivere materialen uit een massa versnipperde batterijen vergt complexe processen en agressieve oplosmiddelen en is daarom duur. Ultrasone uitloging wordt met succes gebruikt om de terugwinning van actief materiaal uit versnipperde lithium-ionbatterijen te intensiveren en de resultaten ervan te verbeteren.
Als alternatief voor traditioneel versnipperen is elektrodescheiding een doeltreffend batterijrecyclingproces gebleken dat de zuiverheid van de verkregen materialen aanzienlijk kan verbeteren. Voor het elektrodescheidingsproces wordt de batterij gedemonteerd in haar belangrijkste onderdelen. Omdat de elektroden het grootste aandeel aan waardevol materiaal bevatten, wordt de elektrode afgescheiden en chemisch behandeld om de actieve materialen (lithium, nikkel, mangaan, kobalt …) van de gecoate folie of stroomcollector op te lossen. Sonicatie staat bekend om haar intense effecten die worden veroorzaakt door akoestische cavitatie. De sonomechanische krachten zorgen voor voldoende oscillatie en afschuiving om de actieve materialen te verwijderen die in lagen op de folie zijn aangebracht. (De structuur van een gecoate folie lijkt op een sandwich, met de folie in het midden en de laag actief materiaal als buitenoppervlak.)
Elektrodescheiding zou een haalbaardere optie zijn dan versnipperen wanneer deze wordt toegepast in combinatie met autonome demontage, waardoor zuiverdere afvalstromen en een groter waardebehoud in de bevoorrading mogelijk worden

Ultrasone sonotroden voor elektrodedelaminatie

Speciale sonotroden die de vereiste amplitude leveren om de actieve materialen van de elektrodefolie te verwijderen, zijn direct beschikbaar. Omdat de intensiteit van akoestische cavitatie afneemt naarmate de afstand tussen sonotrode en elektrode toeneemt, is een voortdurend gelijkblijvende afstand tussen sonotrode en elektrode gunstig. Dit betekent dat het elektrodevel vlak onder de sonotrodepunt moet worden bewogen, waar de drukgolven sterk zijn en de cavitatiedichtheid hoog is. Met speciale sonotroden die breder zijn dan de standaard cilindrische ultrasone sonde, biedt Hielscher Ultrasonics een efficiënte oplossing voor de gelijkmatige delaminatie van elektrodevellen uit elektrische voertuigen. Elektroden die worden gebruikt in batterijen met pouchcellen voor elektrische voertuigen (EV) zijn bijvoorbeeld doorgaans ca. 20 cm breed. Een sonotrode met dezelfde breedte brengt akoestische cavitatie gelijkmatig over op het gehele elektrodeoppervlak. Daardoor komen de lagen actief materiaal binnen enkele seconden vrij in het oplosmiddel en kunnen ze worden geëxtraheerd en gezuiverd tot poeder. Dit poeder kan opnieuw worden gebruikt voor de productie van nieuwe batterijen.
Het onderzoeksteam van de Britse Faraday Institution meldt dat de verwijdering van de lagen actief materiaal van een LIB-elektrode in minder dan 10 s kan worden voltooid wanneer de elektrode zich direct onder een sonotrode met hoog vermogen bevindt (1000 tot 2000 W, bijv. UIP1000hdT of UIP2000hdT). Tijdens de ultrasone behandeling worden de hechtingsbindingen tussen de actieve materialen en stroomcollectoren verbroken, zodat in een daaropvolgende zuiveringsstap een intacte stroomcollector en actief materiaal in poedervorm kunnen worden teruggewonnen.

Afbeeldingen die het effect van ultrageluid tonen op de achterzijde van: a) een anodevel van een lithium-ionbatterij en b) een kathodevel van een lithium-ionbatterij. De anode werd gedelamineerd in een oplossing van 0,05 M citroenzuur; de kathode werd gedelamineerd in een oplossing van 0,1 M NaOH. De sonotrode had een diameter van 20 mm, waarbij gedurende 3 seconden een vermogensintensiteit van 120 W/cm2 werd toegepast op een afstand van 2,5 mm van de sonotrode. De monstergrootte was 3 cm x 3 cm.
(onderzoek en afbeeldingen: Lei et al., 2021)

Sonicatoren voor elektrodedelaminatie

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert ultrasone processoren met hoge prestaties die in het 20kHz-bereik werken. De industriële sonicatoren van Hielscher Ultrasonics zijn ultrasone processoren met hoog vermogen die zeer hoge amplitudes kunnen leveren voor veeleisende toepassingen. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. Voor het continue delaminatieproces van elektroden biedt Hielscher een reeks standaardsonotroden en op maat gemaakte sonotroden. De afmetingen van de sonotrode kunnen worden aangepast aan de afmetingen en breedte van het elektrodemateriaal, om optimale procesomstandigheden voor een hoge verwerkingscapaciteit en superieure terugwinning te bereiken.

Literatuur / Referenties

• 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.