Recykling elektrod – Wysoka wydajność dzięki ultradźwiękowemu rozwarstwianiu

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

Moc ultradźwięków poprawia odzyskiwanie materiałów aktywnych z elektrod

Ultradźwiękowo wspomagane rozwarstwianie elektrod oferuje szybkie, wydajne i zrównoważone podejście do odzyskiwania materiałów aktywnych i folii. Te części elektrody są cennymi materiałami, które można ponownie wykorzystać do produkcji nowych baterii. Ultradźwiękowe rozwarstwienie jest nie tylko znacznie bardziej energooszczędne niż hydrometalurgiczne i pirometalurgiczne procesy recyklingu, ale także pozwala uzyskać materiały o wyższej czystości.

Recykling akumulatorów: 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 odzyskać za pomocą ciągłego ultradźwiękowego procesu rozwarstwiania. Procesory ultradźwiękowe wyposażone w sondę (sonotrodę) mogą wytwarzać intensywne amplitudy. Amplituda przenosi fale ultradźwiękowe do ciekłego medium (np. kąpieli rozpuszczalnikowej), gdzie z powodu naprzemiennych cykli wysokiego / niskiego ciśnienia powstają drobne pęcherzyki próżniowe. Te pęcherzyki próżniowe rosną przez kilka cykli, aż osiągną rozmiar, przy którym nie mogą absorbować dalszej energii. W tym momencie pęcherzyki implodują gwałtownie. Implozja pęcherzyków generuje lokalnie środowisko o wysokiej gęstości energii ze strumieniami cieczy o prędkości do 280 m/s, intensywnymi turbulencjami, bardzo wysokimi temperaturami (ok. 5000 K), ciśnieniami (ok. 2000 atm) i odpowiednio różnicami temperatur i ciśnień.
To zjawisko indukowanej ultradźwiękami implozji pęcherzyków jest znane jako kawitacja akustyczna. Efekty kawitacji akustycznej usuwają kompozytową warstwę materiału aktywnego z foliowego kolektora prądu, który jest pokryty po obu stronach folią kompozytową. Materiał aktywny zawiera głównie mieszaninę proszku tlenku litowo-manganowego (LMO) i tlenku litowo-niklowo-manganowo-kobaltowego (LiNiMnCoO2 lub NMC), a także sadzy jako dodatku przewodzącego.
Mechanizm delaminacji ultradźwiękowej opiera się na siłach fizycznych, które są w stanie rozerwać wiązania molekularne. Ze względu na intensywność ultradźwięków, często łagodniejsze rozpuszczalniki są wystarczające do usunięcia warstw materiału aktywnego z folii lub kolektora prądu. Dzięki temu ultradźwiękowe rozwarstwianie elektrod jest szybsze, przyjazne dla środowiska i znacznie mniej energochłonne.

Obrazy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) przedstawiające zmiany morfologiczne w materiale aktywnym elektrody po rozwarstwieniu ultradźwiękowym. Wszystkie zdjęcia zostały wykonane 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.
(badanie i zdjęcia: Lei et al., 2021)

Rozdrabnianie baterii a separacja elektrod

Do odzyskiwania materiału aktywnego stosuje się rozpuszczalniki wodne lub organiczne w celu rozpuszczenia folii metalowej, spoiwa polimerowego i/lub materiału aktywnego. Projekt procesu i jego przebieg znacząco wpływają na ostateczny wynik odzysku materiału. Tradycyjny proces recyklingu baterii obejmuje rozdrabnianie modułów baterii. Rozdrobnione komponenty są jednak trudne do rozdzielenia na poszczególne elementy. Wymaga to złożonego przetwarzania w celu uzyskania aktywnego/wartościowego materiału z rozdrobnionej masy. Aby ponownie wykorzystać odzyskane materiały aktywne, wymagany jest pewien stopień czystości. Odzyskiwanie wysoce czystych materiałów z rozdrobnionej masy baterii wymaga złożonych procesów, ostrych rozpuszczalników i dlatego jest kosztowne. Ługowanie ultradźwiękowe jest z powodzeniem stosowane do intensyfikacji i poprawy wyników odzyskiwania materiałów aktywnych z rozdrobnionych akumulatorów litowo-jonowych.
Jako alternatywę dla tradycyjnego rozdrabniania, separacja elektrod okazała się skutecznym procesem recyklingu akumulatorów, który może znacznie poprawić czystość uzyskanych materiałów. W procesie separacji elektrod bateria jest demontowana na główne elementy. Ponieważ elektrody zawierają największą część cennego materiału, elektroda jest oddzielana i poddawana obróbce chemicznej w celu rozpuszczenia materiałów aktywnych (litu, niklu, manganu, kobaltu ...) z powlekanej folii lub kolektora prądu. Ultradźwięki są dobrze znane ze swoich intensywnych efektów spowodowanych kawitacją akustyczną. Siły sonomechaniczne stosują wystarczającą oscylację i ścinanie, aby usunąć materiały aktywne, które są ułożone warstwowo na folii (struktura powlekanej folii jest podobna do kanapki, folia w środku i warstwa materiału aktywnego zbudowana na zewnętrznej powierzchni).
Separacja elektrod byłaby bardziej opłacalną opcją niż rozdrabnianie, w połączeniu z autonomicznym demontażem, pozwalając na czystsze strumienie odpadów i większą retencję wartości w dostawach.

Sonotrody ultradźwiękowe do rozwarstwiania elektrod

Specjalne sonotrody zapewniające wymaganą amplitudę do usuwania materiałów aktywnych z folii elektrody są łatwo dostępne. Ponieważ intensywność kawitacji akustycznej maleje wraz ze wzrostem odległości między sonotrodą a elektrodą, korzystna jest ciągła jednolita odległość między sonotrodą a elektrodą. Oznacza to, że arkusz elektrody powinien być przesuwany blisko pod końcówką sonotrody, gdzie fale ciśnienia są silne, a gęstość kawitacji jest wysoka. Dzięki specjalnym sonotrodom oferującym większą szerokość niż standardowa cylindryczna sonda ultradźwiękowa, Hielscher Ultrasonics oferuje skuteczne rozwiązanie do równomiernego rozwarstwiania arkuszy elektrod z pojazdów elektrycznych. Na przykład, elektrody stosowane w akumulatorach pojazdów elektrycznych (EV) mają zazwyczaj szerokość ok. 20 cm. Sonotroda o tej samej szerokości przenosi kawitację akustyczną równomiernie na całej powierzchni 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 wiązania adhezyjne między materiałami aktywnymi i kolektorami prądu są zrywane, dzięki czemu w kolejnym etapie oczyszczania można odzyskać nienaruszony kolektor prądu i sproszkowany materiał aktywny.

Obrazy pokazujące wpływ ultradźwięków na tylną stronę: a) arkusza anody akumulatora litowo-jonowego i b) arkusza katody akumulatora litowo-jonowego. Anoda została rozwarstwiona w roztworze 0,05 M kwasu cytrynowego; katoda została rozwarstwiona w roztworze 0,1 M NaOH. Sonotroda miała średnicę 20 mm, przy natężeniu mocy 120 W/cm2 stosowanym przez 3 sekundy, w odległości 2,5 mm od sonotrody. Rozmiar próbki wynosił 3 cm x 3 cm.
(badanie i zdjęcia: Lei et al., 2021)

Ultradźwięki do rozwarstwiania elektrod

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne procesory ultradźwiękowe, które pracują w zakresie 20 kHz. Hielscher Ultrasonics’ Ultradźwięki przemysłowe to procesory ultradźwiękowe o dużej mocy, które mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy do wymagających zastosowań. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Do ciągłego procesu rozwarstwiania elektrod, Hielscher oferuje szereg standardowych, jak również niestandardowych sonotrod. Rozmiar sonotrody można dostosować do rozmiaru i szerokości materiału elektrody, zapewniając w ten sposób optymalne warunki procesu dla wysokiej przepustowości i doskonałego odzysku.

Literatura / Referencje