Reciclagem de eléctrodos – Altamente eficiente com a delaminação por ultra-sons

A delaminação ultra-sónica dos eléctrodos permite recuperar materiais activos como o lítio, o níquel, o manganês, o cobalto, etc., em segundos. Assim, a delaminação ultra-sónica dos eléctrodos torna a recuperação de materiais reutilizáveis das baterias mais rápida, ecológica e significativamente menos intensiva em termos energéticos. A investigação já provou que a delaminação por ultra-sons pode ser 100 vezes mais rápida do que as técnicas de reciclagem convencionais.

Os ultra-sons de potência melhoram a recuperação de materiais activos dos eléctrodos

A delaminação de eléctrodos por ultra-sons oferece uma abordagem rápida, eficiente e sustentável para a recuperação de materiais activos e da folha de alumínio. Estas partes do elétrodo são materiais valiosos, que podem ser reutilizados para o fabrico de novas baterias. A delaminação por ultra-sons não só é significativamente mais eficiente do ponto de vista energético do que os processos de reciclagem hidrometalúrgicos e pirometalúrgicos, como também produz materiais de maior pureza.

Reciclagem de baterias: Separação e delaminação de eléctrodos

A reciclagem de baterias de iões de lítio (LIB) visa a recuperação de materiais valiosos. Os eléctrodos contêm materiais preciosos e raros, como o lítio, o níquel, o manganês, o cobalto, etc., que podem ser recuperados eficazmente através de um processo contínuo de delaminação por ultra-sons. Os processadores ultra-sónicos equipados com uma sonda (sonotrodo) podem criar amplitudes intensas. A amplitude transmite ondas de ultra-sons para o meio líquido (por exemplo, banho de solvente), onde, devido à alternância de ciclos de alta pressão/baixa pressão, surgem pequenas bolhas de vácuo. Estas bolhas de vácuo crescem ao longo de alguns ciclos, até atingirem um tamanho em que não conseguem absorver mais energia. Nesta altura, as bolhas implodem violentamente. A implosão das bolhas gera localmente um ambiente altamente denso em energia com jactos de líquido com velocidades até 280m/s, turbulências intensas, temperaturas muito elevadas (aprox. 5.000K), pressões (aprox. 2.000atm) e, consequentemente, diferenciais de temperatura e pressão.
Este fenómeno de implosão de bolhas induzido por ultra-sons é conhecido por cavitação acústica. Os efeitos da cavitação acústica removem a película composta de material ativo do coletor de corrente da folha, que é revestida em ambos os lados com a película composta. O material ativo contém principalmente uma mistura de pó de óxido de lítio-manganês (LMO) e óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (LiNiMnCoO2 ou NMC), bem como negro de carbono como aditivo condutor.
O mecanismo de delaminação por ultra-sons baseia-se em forças físicas, que são capazes de quebrar ligações moleculares. Devido à intensidade dos ultra-sons de potência, muitas vezes os solventes mais suaves são suficientes para remover as camadas de material ativo da folha ou do coletor de corrente. Deste modo, a delaminação ultra-sónica do elétrodo é mais rápida, ecológica e consome muito menos energia.

Imagens de microscopia eletrónica de varrimento (SEM) que mostram as alterações morfológicas do material ativo do elétrodo após a delaminação ultra-sónica. Todas as imagens foram obtidas com uma ampliação de 5000x e uma energia de excitação de 10 kV. a) material do cátodo antes da delaminação, b) material ativo do cátodo delaminado, c) material do ânodo antes da delaminação e d) material do ânodo delaminado.
(estudo e imagens: Lei et al., 2021)

Trituração de baterias vs. separação de eléctrodos

Para a recuperação do material ativo, são utilizados solventes aquosos ou orgânicos para dissolver a folha metálica, o aglutinante de polímero e/ou o material ativo. A conceção e o fluxo do processo influenciam significativamente o resultado final da recuperação do material. O processo tradicional de reciclagem de baterias envolve a trituração dos módulos da bateria. No entanto, os componentes triturados são difíceis de separar em componentes individuais. É necessário um processamento complexo para obter material ativo/valioso da massa triturada. Para reutilizar os materiais activos recuperados, é necessário um certo grau de pureza. A recuperação de materiais altamente puros a partir da massa da bateria triturada envolve processos complexos, solventes agressivos e, por conseguinte, é dispendiosa. A lixiviação ultra-sónica é utilizada com êxito para intensificar e melhorar os resultados da recuperação de materiais activos a partir de baterias de iões de lítio trituradas.
Como processo alternativo à trituração tradicional, a separação de eléctrodos tem-se revelado um processo eficaz de reciclagem de baterias que pode melhorar significativamente a pureza dos materiais obtidos. Para o processo de separação dos eléctrodos, a bateria é desmontada nos seus principais componentes. Uma vez que os eléctrodos contêm a maior parte do material valioso, o elétrodo é separado e tratado quimicamente para dissolver os materiais activos (lítio, níquel, manganês, cobalto...) da folha revestida ou do coletor de corrente. A ultrassonografia é bem conhecida pelos seus efeitos intensos causados pela cavitação acústica. As forças sonomecânicas aplicam oscilação e cisalhamento suficientes para remover os materiais activos, que são colocados em camadas sobre a folha (a estrutura de uma folha revestida é semelhante a uma sanduíche, a folha no centro e a camada de material ativo construída na superfície exterior).
a separação dos eléctrodos seria uma opção mais viável do que a trituração, quando utilizada em conjunto com a desmontagem autónoma, permitindo fluxos de resíduos mais puros e uma maior retenção de valor no fornecimento

Sonotrodos ultra-sónicos para delaminação de eléctrodos

Estão prontamente disponíveis sonotrodos especiais que fornecem a amplitude necessária para remover os materiais activos da folha do elétrodo. Como a intensidade da cavitação acústica diminui com o aumento da distância entre o sonotrodo e o elétrodo, é favorável uma distância continuamente uniforme entre o sonotrodo e o elétrodo. Isto significa que a folha do elétrodo deve ser movida para baixo da ponta do sonotrodo, onde as ondas de pressão são fortes e a densidade da cavitação é elevada. Com sonotrodos especiais que oferecem uma largura maior do que a sonda ultra-sónica cilíndrica padrão, a Hielscher Ultrasonics oferece uma solução eficiente para a delaminação uniforme de folhas de eléctrodos de veículos eléctricos. Por exemplo, os eléctrodos utilizados em baterias de veículos eléctricos (EV) de células de bolsa têm tipicamente uma largura de aproximadamente 20 cm. Um sonotrodo com a mesma largura transmite a cavitação acústica uniformemente em toda a superfície do elétrodo. Deste modo, em segundos, as camadas de material ativo são libertadas para o solvente e podem ser extraídas e purificadas em pó. Este pó pode ser reutilizado para a produção de novas baterias.
A equipa de investigação da Faraday Institution do Reino Unido relata que a remoção das camadas de material ativo do elétrodo LIB pode ser concluída em menos de 10 s quando o elétrodo está localizado diretamente por baixo de um sonotrodo de alta potência (1000 a 2000 W, por exemplo UIP1000hdt OU UIP2000hdT). Durante o tratamento ultrassónico, as ligações adesivas entre os materiais activos e os colectores de corrente são quebradas, de modo a que, numa fase subsequente de purificação, possa ser recuperado um coletor de corrente intacto e material ativo em pó.

Imagens que mostram o efeito dos ultra-sons na parte de trás de: a) folha de ânodo de bateria de iões de lítio e b) folha de cátodo de bateria de iões de lítio. O ânodo foi delaminado em uma solução de ácido cítrico 0,05 M; o cátodo foi delaminado em uma solução de NaOH 0,1 M. O sonotrodo tinha 20 mm de diâmetro, com uma intensidade de potência de 120 W/cm2 aplicada durante 3 segundos, a 2,5 mm de distância do sonotrodo. O tamanho da amostra foi de 3 cm x 3 cm.
(estudo e imagens: Lei et al., 2021)

Ultrasonicators para Delaminação de Eléctrodos

A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui processadores ultra-sónicos de elevado desempenho, que funcionam na gama dos 20kHz. Hielscher Ultrasonics’ Os ultrassons industriais são processadores de ultra-sons de alta potência que podem fornecer amplitudes muito elevadas para aplicações exigentes. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas de forma contínua em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultra-sónicos personalizados. Para o processo de delaminação contínua de eléctrodos, a Hielscher oferece uma gama de sonotrodos padrão, bem como personalizados. O tamanho do sonotrodo pode ser adaptado ao tamanho e à largura do material do elétrodo, visando assim condições de processo óptimas para um rendimento elevado e uma recuperação superior.

Literatura / Referências