Recykling elektrod – Wysoka skuteczność w przypadku delaminacji ultradźwiękowej

Ultradźwiękowe rozwarstwianie elektrod pozwala w ciągu kilku sekund odzyskać materiały aktywne, takie jak lit, nikiel, mangan, kobalt itp. W ten sposób ultradźwiękowe rozwarstwianie elektrod sprawia, że odzyskiwanie materiałów nadających się do ponownego wykorzystania z baterii jest szybsze, ekologiczne i znacznie mniej energochłonne. Badania dowiodły już, że rozwarstwianie ultradźwiękowe może być 100 razy szybsze niż konwencjonalne techniki recyklingu.

Ultradźwięki o dużej mocy poprawiają odzyskiwanie materiałów aktywnych z elektrod

Ultradźwiękowo wspomagane rozwarstwianie elektrod umożliwia szybkie, wydajne i trwałe odzyskiwanie materiałów aktywnych i folii. Te części elektrody są cennymi materiałami, które mogą być ponownie wykorzystane do produkcji nowych baterii. Ultradźwiękowe rozwarstwianie jest nie tylko znacznie bardziej energooszczędne niż hydrometalurgiczne i pirometalurgiczne procesy recyklingu, ale także pozwala uzyskać materiały o wyższej czystości.

Recykling baterii: Oddzielanie i rozwarstwianie elektrod

Recykling baterii litowo-jonowych (LIB) ma na celu odzyskanie cennych materiałów. Elektrody zawierają cenne i rzadkie materiały, takie jak lit, nikiel, mangan, kobalt itp., które można skutecznie odzyskiwać w ciągłym procesie rozwarstwiania ultradźwiękowego. Procesory ultradźwiękowe wyposażone w sondę (sonotrodę) mogą wytwarzać intensywne amplitudy. Amplituda ta przenosi fale ultradźwiękowe do ośrodka ciekłego (np. kąpieli rozpuszczalnikowej), gdzie w wyniku naprzemiennych cykli wysokiego i niskiego ciśnienia powstają drobne pęcherzyki próżniowe. Te pęcherzyki próżniowe rosną przez kilka cykli, aż osiągną rozmiar, przy którym nie są w stanie absorbować dalszej energii. W tym momencie pęcherzyki gwałtownie implodują. Implozja pęcherzyków wytwarza lokalnie środowisko o dużej gęstości energetycznej, w którym występują strumienie cieczy o prędkości do 280 m/s, intensywne turbulencje, bardzo wysokie temperatury (ok. 5000 K) i ciśnienia (ok. 2000 atm) oraz odpowiednio duże różnice temperatur i ciśnień.
Zjawisko implozji pęcherzyków wywołanej ultradźwiękami znane jest jako kawitacja akustyczna. Efekt kawitacji akustycznej powoduje usunięcie warstwy kompozytowej materiału aktywnego z foliowego kolektora prądowego, który jest obustronnie pokryty warstwą kompozytową. Materiał aktywny zawiera głównie mieszaninę proszku tlenku manganu litu (LMO) i tlenku kobaltu litowo-niklowego (LiNiMnCoO2 lub NMC) oraz sadzę jako dodatek przewodzący.
Mechanizm rozwarstwiania ultradźwiękowego oparty jest na siłach fizycznych, które są w stanie rozerwać wiązania molekularne. Ze względu na intensywność mocy ultradźwięków często do usunięcia warstw materiału aktywnego z folii lub kolektora prądu wystarczają łagodniejsze rozpuszczalniki. Dzięki temu ultradźwiękowe usuwanie warstw elektrody jest szybsze, przyjazne dla środowiska i znacznie mniej energochłonne.

Obrazy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) przedstawiające zmiany morfologiczne materiału aktywnego elektrody po rozwarstwieniu ultradźwiękowym. Wszystkie zdjęcia wykonano przy powiększeniu 5000x i energii wzbudzenia 10 kV. a) materiał katody przed rozwarstwieniem, b) rozwarstwiony materiał aktywny katody, c) materiał anody przed rozwarstwieniem i d) rozwarstwiony materiał anody.
(opracowanie i zdjęcia: Lei et al., 2021)

Rozdrabnianie baterii a separacja elektrod

W celu odzyskania materiału aktywnego stosuje się rozpuszczalniki wodne lub organiczne, które rozpuszczają folię metalową, spoiwo polimerowe i/lub materiał aktywny. Projekt i przebieg procesu mają znaczący wpływ na końcowy rezultat odzysku materiału. Tradycyjny proces recyklingu baterii polega na rozdrabnianiu modułów baterii. Jednak rozdrobnione elementy trudno jest rozdzielić na poszczególne części. Uzyskanie aktywnego/wartościowego materiału z rozdrobnionej masy wymaga złożonego przetwarzania. Aby można było ponownie wykorzystać odzyskane materiały aktywne, konieczny jest pewien stopień czystości. Odzyskiwanie materiałów o wysokim stopniu czystości z rozdrobnionej masy akumulatorowej wymaga skomplikowanych procesów, stosowania trudnych rozpuszczalników i dlatego jest kosztowne. Ługowanie ultradźwiękowe jest z powodzeniem stosowane do intensyfikacji i poprawy wyników odzyskiwania materiałów aktywnych z rozdrobnionych baterii litowo-jonowych.
Jako proces alternatywny do tradycyjnego rozdrabniania, separacja elektrod okazała się skutecznym procesem recyklingu baterii, który może znacznie poprawić czystość uzyskanych materiałów. W procesie separacji elektrod bateria jest rozkładana na główne elementy. Ponieważ elektrody zawierają najwięcej cennych materiałów, są one oddzielane i poddawane obróbce chemicznej w celu rozpuszczenia materiałów aktywnych (litu, niklu, manganu, kobaltu...) z folii powlekanej lub kolektora prądu. Ultradźwięki są dobrze znane ze swoich intensywnych efektów spowodowanych kawitacją akustyczną. Siły sonomechaniczne powodują oscylacje i ścinanie wystarczające do usunięcia materiałów aktywnych, które są ułożone warstwowo na folii (struktura folii powlekanej jest podobna do kanapki - folia w środku, a warstwa materiału aktywnego na zewnętrznej powierzchni).
Separacja elektrod byłaby bardziej opłacalną opcją niż rozdrabnianie, gdyby była stosowana w połączeniu z autonomicznym demontażem, co pozwoliłoby na uzyskanie czystszych strumieni odpadów i zachowanie większej wartości w dostawach.

Sonotrody ultradźwiękowe do badania rozwarstwienia elektrody

Łatwo dostępne są specjalne sonotrody zapewniające amplitudę wymaganą do usunięcia materiałów aktywnych z folii elektrody. Ponieważ intensywność kawitacji akustycznej maleje wraz ze wzrostem odległości pomiędzy sonotrodą a elektrodą, korzystne jest utrzymywanie stałej, jednakowej odległości pomiędzy sonotrodą a elektrodą. Oznacza to, że arkusz elektrody powinien być umieszczony blisko końcówki sonotrody, gdzie fale ciśnienia są silne, a gęstość kawitacji wysoka. Dzięki specjalnym sonotrodom o większej szerokości niż standardowa cylindryczna sonda ultradźwiękowa, firma Hielscher Ultrasonics oferuje skuteczne rozwiązanie do równomiernego rozwarstwiania blach elektrod w pojazdach elektrycznych. Na przykład elektrody stosowane w akumulatorach pojazdów elektrycznych (EV) mają zwykle szerokość ok. 20 cm. Sonotroda o takiej samej szerokości równomiernie przenosi kawitację akustyczną na całą powierzchnię elektrody. W ten sposób w ciągu kilku sekund warstwy materiału aktywnego są uwalniane do rozpuszczalnika i mogą być ekstrahowane i oczyszczane do postaci proszku. Proszek ten może być ponownie wykorzystany do produkcji nowych baterii.
Zespół badawczy z brytyjskiego Faraday Institution donosi, że usuwanie warstw materiału aktywnego z elektrody LIB można zakończyć w czasie krótszym niż 10 s, gdy elektroda znajduje się bezpośrednio pod sonotrodą o dużej mocy (1000 do 2000 W, np. UIP1000hdT lub UIP2000hdT). Podczas obróbki ultradźwiękowej następuje zerwanie wiązań adhezyjnych między materiałami aktywnymi i odbierakami prądu, dzięki czemu w kolejnym etapie oczyszczania można odzyskać nienaruszony odbierak prądu i sproszkowany materiał aktywny.

Obrazy przedstawiające wpływ ultradźwięków na tylną stronę: a) arkusza anody baterii litowo-jonowej i b) arkusza katody baterii litowo-jonowej. Anodę rozwarstwiono w roztworze 0,05 M kwasu cytrynowego; katodę rozwarstwiono w roztworze 0,1 M NaOH. Sonotroda miała średnicę 20 mm, a natężenie prądu 120 W/cm2 było stosowane przez 3 sekundy w odległości 2,5 mm od sonotrody. Rozmiar próbki wynosił 3 cm x 3 cm.
(opracowanie i zdjęcia: Lei et al., 2021)

Ultradźwiękowe urządzenia do badania delaminacji elektrod

Firma Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne procesory ultradźwiękowe, które pracują w zakresie 20 kHz. Hielscher Ultrasonics’ Ultradźwiękowce przemysłowe to procesory ultradźwiękowe o dużej mocy, które mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy dla wymagających zastosowań. Amplitudy do 200 µm mogą być z łatwością stosowane w trybie ciągłym 24/7. W przypadku jeszcze większych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do potrzeb klienta. Do ciągłego procesu rozwarstwiania elektrod firma Hielscher oferuje szereg sonotrod zarówno standardowych, jak i dostosowanych do potrzeb klienta. Rozmiar sonotrody można dostosować do rozmiaru i szerokości materiału elektrody, uzyskując w ten sposób optymalne warunki procesu dla wysokiej przepustowości i doskonałego odzysku.

Literatura / materiały źródłowe