Recycling van elektrodes – Zeer efficiënt met ultrasone vervuiling

Met ultrasone delaminatie van elektrodes kunnen actieve materialen zoals lithium, nikkel, mangaan, kobalt enz. binnen enkele seconden worden teruggewonnen. Daarbij maakt ultrasone delaminatie van elektroden het terugwinnen van herbruikbare materialen uit batterijen sneller, groener en aanzienlijk minder energie-intensief. Onderzoek heeft al aangetoond dat ultrasone delaminatie 100 keer sneller kan zijn dan conventionele recyclingtechnieken.

Krachtig ultrageluid verbetert het terugwinnen van actieve materialen uit elektroden

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

Recycling van batterijen: 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 behulp van een continu ultrasoon delaminatieproces. Ultrasone processoren uitgerust met een sonde (sonotrode) kunnen intense amplitudes creëren. De amplitude zendt ultrageluidsgolven uit in het vloeibare medium (bijv. een bad met oplosmiddel), waar als gevolg van afwisselende cycli van hoge en lage druk minuscule vacuümbelletjes ontstaan. Deze vacuümbelletjes groeien gedurende een paar cycli, totdat ze een grootte bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen absorberen. Op dat moment imploderen de bellen heftig. De bellenimplosie genereert lokaal een zeer energiedichte omgeving met vloeistofstralen met een snelheid tot 280 m/s, intense turbulenties, zeer hoge temperaturen (ongeveer 5.000 K), drukken (ongeveer 2.000 atm) en dienovereenkomstige temperatuur- en drukverschillen.
Dit fenomeen van ultrasoon geïnduceerde bellenimplosie staat bekend als akoestische cavitatie. De effecten van akoestische cavitatie verwijderen de samengestelde film van actief materiaal van de foliecollector, die aan beide zijden is bekleed met de samengestelde film. Actief materiaal bevat meestal een mengsel van lithium mangaanoxide (LMO) en lithium nikkel mangaan kobaltoxide (LiNiMnCoO2 of NMC) poeder, evenals roet als geleidend additief.
Het mechanisme van ultrasone delaminatie is gebaseerd op fysieke krachten die in staat zijn om moleculaire bindingen te verbreken. Door de intensiteit van het ultrageluid zijn mildere oplosmiddelen vaak voldoende om de lagen actief materiaal van de folie of de stroomcollector te verwijderen. Daardoor is de ultrasone delaminatie van de elektrode sneller, milieuvriendelijker en aanzienlijk minder energie-intensief.

SEM-beelden (rasterelektronenmicroscopie) die de morfologische veranderingen tonen van het elektrode-actieve materiaal na ultrasonische delaminatie. Alle afbeeldingen zijn gemaakt bij een vergroting van 5000x en een excitatie-energie van 10 kV. a) kathodemateriaal vóór delaminatie, b) gedelamineerd kathode-actief materiaal, c) anodemateriaal vóór delaminatie en d) gedelamineerd anodemateriaal.
(studie en foto's: Lei et al., 2021)

Batterijen versnipperen vs. elektrodescheiding

Voor het terugwinnen 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 de processtroom beïnvloeden het uiteindelijke resultaat van de terugwinning van materiaal aanzienlijk. Bij het traditionele batterijrecyclingproces worden de batterijmodules versnipperd. 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 halen. Om teruggewonnen actieve materialen opnieuw te kunnen gebruiken, is een bepaalde mate van zuiverheid vereist. Het terugwinnen van zeer zuivere materialen uit versnipperde batterijmassa vereist complexe processen, agressieve oplosmiddelen en is daarom duur. Ultrasoon uitlogen wordt met succes gebruikt om de resultaten van het terugwinnen van actieve materialen uit versnipperde lithium-ionbatterijen te intensiveren en te verbeteren.
Als alternatief voor het traditionele versnipperen is elektrodescheiding een doeltreffend proces voor batterijrecycling gebleken dat de zuiverheid van de verkregen materialen aanzienlijk kan verbeteren. Bij het elektrodescheidingsproces wordt de batterij in zijn belangrijkste onderdelen uit elkaar gehaald. Aangezien de elektroden het grootste deel van het waardevolle materiaal bevatten, wordt de elektrode gescheiden en chemisch behandeld om de actieve materialen (lithium, nikkel, mangaan, kobalt ...) van de gecoate folie of stroomcollector op te lossen. Ultrasoonbehandeling staat bekend om zijn intense effecten veroorzaakt door akoestische cavitatie. De sonomechanische krachten brengen voldoende oscillatie en afschuiving teweeg om de actieve materialen, die in lagen op de folie zijn aangebracht, te verwijderen (de structuur van een gecoate folie is vergelijkbaar met een sandwich, de folie in het midden en de laag actief materiaal aan de buitenkant).
Het scheiden van elektroden zou een haalbaardere optie zijn dan shredderen, indien gebruikt in combinatie met autonome demontage, waardoor zuiverdere afvalstromen en een groter waardebehoud in de toelevering mogelijk worden.

Ultrasone sonotroden voor elektrodeverwijdering

Speciale sonotroden die de vereiste amplitude leveren om de actieve materialen van de elektrodefolie te verwijderen, zijn gemakkelijk verkrijgbaar. Omdat de intensiteit van akoestische cavitatie afneemt met toenemende afstand tussen sonotrode en elektrode, is een continu uniforme afstand tussen sonotrode en elektrode gunstig. Dit betekent dat het elektrodeblad dicht onder de punt van de sonotrode 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 het gelijkmatig losmaken van elektrodenplaten van elektrische voertuigen. Elektroden die bijvoorbeeld worden gebruikt in batterijen voor elektrische voertuigen hebben doorgaans een breedte van ongeveer 20 cm. Een sonotrode met dezelfde breedte brengt akoestische cavitatie gelijkmatig over op het hele elektrodeoppervlak. Hierdoor komen de lagen actief materiaal binnen enkele seconden vrij in het oplosmiddel en kunnen ze worden geëxtraheerd en gezuiverd tot poeder. Dit poeder kan worden hergebruikt voor de productie van nieuwe batterijen.
Het onderzoeksteam van het Faraday Institution in het Verenigd Koninkrijk rapporteert dat het verwijderen van de actieve materiaallagen van de 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 lijmverbindingen tussen de actieve materialen en de stroomcollectoren verbroken, zodat in een volgende zuiveringsstap een intacte stroomcollector en poedervormig actief materiaal kan worden teruggewonnen.

Beelden die het effect van ultrageluid tonen op de achterzijde van: a) lithium-ion batterij anodeplaat, en b) lithium-ion batterij kathodeplaat. 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, met een stroomsterkte van 120 W/cm2 toegepast gedurende 3 seconden, op 2,5 mm afstand van de sonotrode. De grootte van het monster was 3 cm x 3 cm.
(studie en foto's: Lei et al., 2021)

Ultrasone apparaten voor elektrodeverwijdering

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert hoogwaardige ultrasone processoren die werken in het 20kHz-bereik. Hielscher Ultrasoon’ Industriële ultrasone apparaten zijn ultrageluidprocessoren met een hoog vermogen die zeer hoge amplitudes kunnen leveren voor veeleisende toepassingen. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden verkrijgbaar. Voor het continue delaminatieproces van elektrodes biedt Hielscher een reeks standaard en klantspecifieke sonotrodes. De grootte van de sonotroden kan worden aangepast aan de grootte en breedte van het elektrodemateriaal, waardoor optimale procesomstandigheden voor een hoge verwerkingscapaciteit en superieure terugwinning worden bereikt.

Literatuur / Referenties