Reciclagem de eletrodos – Altamente eficiente com delaminação ultrassônica

A delaminação ultrassônica de eletrodos permite recuperar materiais ativos como lítio, níquel, manganês, cobalto etc. em segundos. Assim, a delaminação de eletrodos ultrassônicos torna a recuperação de materiais reutilizáveis de baterias mais rápidas, verdes e significativamente menos intensivas em energia. Pesquisas já provaram que a delaminação ultrassônica pode ser 100 vezes mais rápida do que as técnicas convencionais de reciclagem.

Ultrassom de energia melhora a recuperação de materiais ativos de eletrodos

A delaminação ultrasonicamente assitada dos eletrodos oferece uma abordagem rápida, eficiente e sustentável, recuperando materiais ativos e a folha. Estas peças do eletrodo são materiais valiosos, que podem ser reutilizados para a fabricação de novas baterias. A delaminação ultrassônica não só é significativamente mais eficiente em termos de energia do que os processos de reciclagem hidrometalúrgica e pirometalúrgica, eles também produzem em materiais de maior pureza.

Vantagens da Delaminação de Eletrodos Ultrassônicos

  • Rápido (concluído em segundos)
  • Fácil de implementar
  • Adaptável aos tamanhos de eletrodos
  • Ambiente amigável
  • Econômico
  • seguro
"Ultrassonicador

Ultrassom Electrode Delamination para Reciclagem de Bateria

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Ondas de ultrassom de alta potência são usadas para recuperar materiais ativos de eletrodos de bateria. A delaminação de eletrodos ultrassônicos torna a recuperação de materiais reutilizáveis de baterias mais rápidas, verdes e significativamente menos intensivas em energia.

Processador ultrassônico com sonotrode para delaminação de eletrodos. A delaminação de eletrodos ultrassônicos torna a recuperação de materiais reutilizáveis de baterias mais rápidas, verdes e significativamente menos intensivas em energia.

Reciclagem de bateria: Separação e Delaminação de Eletrodos

A reciclagem da bateria de íons de lítio (LIB) visa recuperar materiais valiosos. Os eletrodos contêm materiais preciosos e raros, como lítio, níquel, manganês, cobalto etc., que podem ser recuperados eficientemente usando um processo contínuo de delaminação ultrassônica. Processadores ultrassônicos equipados com uma sonda (sonotrode) podem criar amplitudes intensas. A amplitude transmite ondas de ultrassom para o meio líquido (por exemplo, banho de solvente), onde devido à alternação de alta pressão / ciclos de baixa pressão surgem bolhas de vácuo minutos. Essas bolhas de vácuo crescem ao longo de alguns ciclos, até atingirem um tamanho no qual não podem absorver mais energia. Neste ponto, as bolhas implodem violentamente. A implosão da bolha gera localmente um ambiente altamente denso de energia com jatos líquidos de até 280m/s de velocidade, turbulências intensas, temperaturas muito altas (aproximadamente 5.000K), pressões (aproximadamente 2.000atm) e, consequentemente, diferenciais de temperatura e pressão.
Este fenômeno de implosão de bolhas ultrasonicamente induzida é conhecido cavitação acústica. Os efeitos da cavitação acústica removem o filme composto de material ativo do coletor de corrente de folha, que é revestido em ambos os lados com o filme composto. O material ativo contém principalmente uma mistura de óxido de manganês de lítio (LMO) e óxido de cobalto de níquel de lítio (LiNiMnCoO2 ou NMC), bem como preto carbono como aditivo condutor.
O mecanismo de delaminação ultrassônica é baseado em forças físicas, que são capazes de quebrar ligações moleculares. Devido à intensidade do ultrassom de energia, muitas vezes solventes mais leves são suficientes para remover as camadas de material ativo da folha ou do coletor de corrente. Assim, a delaminação ultrassônica do eletrodo é mais rápida, ambiental e significativamente menos intensiva em energia.

A ultrassonização de alta intensidade melhora significativamente o processo de delaminação dos eletrodos e produz em materiais ativos de alta qualidade, que podem ser reutilizados para a produção de novas baterias.

Imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) mostrando as alterações morfológicas no material ativo do eletrodo após a delaminação ultrassônica. Todas as imagens foram tiradas em uma ampliação de 5000x e 10 kV de energia de excitação. a) material de cátodo pré-delaminação, b) material ativo de cátodo delaminado, c) material de ânodo pré-delaminação e d) material de ânodo delaminado.
(estudo e fotos: Lei et al., 2021)

Trituração de bateria vs. Separação de eletrodos

Para a recuperação do material ativo, solventes aquosos ou orgânicos são usados para dissolver a folha metálica, o aglutinante do polímero e/ou o material ativo. O projeto de processo e o fluxo 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, componentes triturados são difíceis de separar em componentes individuais. Requer processamento complexo para obter material ativo/valioso da massa triturada. Para reutilizar materiais ativos recuperados, é necessário um certo grau de pureza. Recuperar materiais altamente puros do volume de baterias triturados envolve processos complexos, solventes severos e, portanto, é caro. A lixiviação ultrassônica é usada com sucesso para intensificar e melhorar os resultados da recuperação ativa de materiais a partir de baterias de íons de lítio trituradas.
Como um processo alternativo à trituração tradicional, a separação de eletrodos tem sido mostrada como um processo eficaz de reciclagem de baterias que pode melhorar significativamente a pureza dos materiais obtidos. Para o processo de separação do eletrodo, a bateria é desmontada em seus principais componentes. Uma vez que os eletrodos contêm uma maior parte do material valioso, o eletrodo é separado e tratado quimicamente para dissolver os materiais ativos (lítio, níquel, manganês, cobalto...) da folha revestida ou coletor atual. A ultrassônica é bem conhecida por seus efeitos intensos causados pela cavitação acústica. As forças sonomecânicas aplicam oscilação suficiente e tesoura para remover os materiais ativos, que são colocados em camadas sobre a folha. (A estrutura de uma folha revestida é semelhante a um sanduíche, a folha no centro e a camada de material ativo construída na superfície externa.)
a separação do eletrodo tornaria uma opção mais viável do que a trituração, quando usada em conjunto com a desmontagem autônoma, permitindo fluxos de resíduos mais puros e maior retenção de valor no fornecimento

Processador ultrassônico UIP2000hdT (2000 watts) para a delaminação de eletrodos de bateria. A delaminação ultrassônica é um método altamente eficiente para a recuperação de material ativo.

o ultrasonicator UIP2000hdT é um processador poderoso de 2000 watts para a delaminação de eletrodos ans torna a reciclagem da bateria mais rápida, eficiente e ambientalmente mais amigável.

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Sonotrodes ultrassônicos para delaminação de eletrodos

Sonotrodes especiais que fornecem a amplitude necessária para remover os materiais ativos da folha de eletrodos estão prontamente disponíveis. À medida que a intensidade da cavitação acústica diminui com o aumento da distância entre sonotrodo e eletrodo, uma distância continuamente uniforme entre sonotrodo e eletrodo é favorável. Isso significa que a folha de eletrodos deve ser movida de perto sob a ponta do sonotrodo, onde as ondas de pressão são fortes e a densidade de cavitação é alta. Com sonotrodes especiais que oferecem uma largura mais ampla do que a sonda ultrassônica cilíndrica padrão, a Hielscher Ultrasonics oferece uma solução eficiente para delaminação uniforme de folhas de eletrodos de veículos elétricos. Por exemplo, eletrodos usados em baterias de veículos elétricos de célula de bolsa (EV) têm tipicamente uma largura de aproximadamente 20 cm. Um sonotrode da mesma largura transmite cavitação acústica uniformemente em toda a superfície do eletrodo. Assim, em segundos as camadas de material ativo são liberadas no solvente e podem ser extraídas e purificadas em pó. Este pó pode ser reutilizado para a produção de novas baterias.
A equipe de pesquisa da Instituição Faraday do Reino Unido relata que a remoção das camadas de material ativo do eletrodo LIB pode ser concluída em menos de 10 s quando o eletrodo está localizado diretamente sob um sonotrode de alta potência (1000 a 2000 W, por exemplo. UIP1000hdT ou UIP2000hdT). Durante o tratamento ultrassônico, as ligações adesivas entre os materiais ativos e os coletores atuais são quebradas para que, em uma etapa de purificação subsequente, um coletor de corrente intacto e material ativo em pó possam ser recuperados.

A ultrassônica quebra as ligações moleculares e facilita a recuperação de materiais sctive durante a reciclagem da bateria.

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

Ultrassonicadores para Delaminação de Eletrodos

Hielscher Ultrasonics projeta, fabrica e distribui processadores ultrassônicos de alto desempenho, que funcionam na faixa de 20kHz. Hielscher Ultrasonics’ ultrassonicadores industriais são processadores de ultrassom de alta potência que podem fornecer amplitudes muito altas para aplicações exigentes. Amplitudes de até 200μm podem ser facilmente executadas continuamente na operação 24/7. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodes ultrassônicos personalizados estão disponíveis. Para o processo contínuo de delaminação de eletrodos, o Hielscher oferece uma gama de sonotrodos personalizados e padrão. O tamanho do sonotrode pode ser adaptado ao tamanho e largura do material eletrodo, visando condições ideais de processo para alta produtividade e recuperação superior.

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Literatura / Referências

A delaminação ultrassônica recupera materiais ativos em segundos de eletrodos gastos.

A imagem mostra uma folha de cobre, da qual camadas de grafite e material ativo foram removidas em um tratamento ultrassônico de alguns segundos. Os componentes recuperados estão em uma solução de alta pureza e o coletor atual obtido é cobre puro.
(Imagem e estudo: Faraday Institution, Universidade de Birmingham, Universidade de Leicester)


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