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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 rápida, ecológica e significativamente menos intensiva em energia. A pesquisa já provou que a delaminação ultrassônica pode ser 100 vezes mais rápida do que as técnicas convencionais de reciclagem.

Ultrassom de potência melhora a recuperação de materiais ativos de eletrodos

A delaminação de eletrodos assistida por ultrassom oferece uma abordagem rápida, eficiente e sustentável, recuperando materiais ativos e a folha. Essas partes do eletrodo são materiais valiosos, que podem ser reutilizados para a fabricação de novas baterias. A delaminação ultrassônica não é apenas significativamente mais eficiente em termos de energia do que os processos de reciclagem hidrometalúrgica e pirometalúrgica, mas também produz materiais de maior pureza.

Vantagens da delaminação de eletrodo ultrassônico

  • Rápido (concluído em segundos)
  • Fácil de implementar
  • Adaptável a tamanhos de eletrodos
  • ambientalmente amigável
  • Econômico
  • Seguro
"Ultrassônico

Delaminação de eletrodo de ultrassom 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 rápida, ecológica e significativamente menos intensiva em energia.

Processador ultrassônico com sonotrodo para delaminação de eletrodos. A delaminação de eletrodos ultrassônicos torna a recuperação de materiais reutilizáveis de baterias mais rápida, ecológica e significativamente menos intensiva em energia.

Reciclagem de baterias: separação e delaminação de eletrodos

A reciclagem de baterias de íon de lítio (LIB) visa recuperar materiais valiosos. Os eletrodos contêm materiais preciosos e raros, como lítio, níquel, manganês, cobalto, etc., que podem ser recuperados com eficiência usando um processo contínuo de delaminação ultrassônica. Processadores ultrassônicos equipados com uma sonda (sonotrodo) podem criar amplitudes intensas. A amplitude transmite ondas de ultrassom para o meio líquido (por exemplo, banho de solvente), onde, devido à alternância de ciclos de alta pressão / baixa pressão, surgem bolhas de vácuo minúsculas. Essas bolhas de vácuo crescem ao longo de alguns ciclos, até atingirem um tamanho em que não podem absorver mais energia. Nesse ponto, as bolhas implodem violentamente. A implosão da bolha gera localmente um ambiente altamente denso em energia com jatos de líquido de velocidade de até 280m/s, turbulências intensas, temperaturas muito altas (aprox. 5.000K), pressões (aprox. 2.000atm) e, consequentemente, diferenciais de temperatura e pressão.
Este fenômeno de implosão de bolhas induzida por ultrassom é conhecido como 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 manganês de níquel de lítio (LiNiMnCoO2 ou NMC) em pó, bem como negro de fumo 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 potência, muitas vezes solventes mais suaves são suficientes para remover as camadas de material ativo da folha ou coletor de corrente. Assim, a delaminação ultrassônica do eletrodo é mais rápida, ecológica e significativamente menos intensiva em energia.

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

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

Trituração de bateria vs. separação de eletrodos

Para a recuperação da matéria activa, utilizam-se solventes aquosos ou orgânicos para dissolver a folha metálica, o aglutinante de polímeros e/ou a matéria activa. O design 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 de bateria. No entanto, os 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. A recuperação de materiais altamente puros a granel de baterias trituradas envolve processos complexos, solventes agressivos e, portanto, é cara. A lixiviação ultrassônica é usada com sucesso para intensificar e melhorar os resultados da recuperação de material ativo de baterias de íon de lítio trituradas.
Como um processo alternativo à trituração tradicional, a separação de eletrodos tem se mostrado um processo eficaz de reciclagem de baterias que pode melhorar significativamente a pureza dos materiais obtidos. Para o processo de separação de eletrodos, a bateria é desmontada em seus principais componentes. Como os eletrodos contêm uma parcela maior de material valioso, o eletrodo é separado e tratado quimicamente para dissolver os materiais ativos (lítio, níquel, manganês, cobalto ...) da folha revestida ou coletor de corrente. A ultrassonografia é bem conhecida por seus efeitos intensos causados pela cavitação acústica. As forças sonomecânicas aplicam oscilação e cisalhamento suficientes para remover os materiais ativos, que são colocados em camadas na folha. (A estrutura de uma folha revestida é semelhante a um sanduíche, a folha no centro e a camada de material ativo construíram a superfície externa.)
A separação de eletrodos seria 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 ultrassônico UIP2000hdT é um processador potente de 2000 watts para a delaminação de elétrodos e torna a reciclagem de baterias mais rápida, eficiente e amiga do ambiente.

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Sonotrodos ultrassônicos para delaminação de eletrodos

Sonotrodos especiais que fornecem a amplitude necessária para remover os materiais ativos da folha do eletrodo estão prontamente disponíveis. Como a intensidade da cavitação acústica diminui com o aumento da distância entre o sonotrodo e o eletrodo, uma distância continuamente uniforme entre o sonotrodo e o eletrodo é favorável. Isso significa que a folha do eletrodo deve ser movida bem abaixo da ponta do sonotrodo, onde as ondas de pressão são fortes e a densidade de cavitação é alta. Com sonotrodos especiais que oferecem uma largura mais ampla do que a sonda ultrassônica cilíndrica padrão, a Hielscher Ultrasonics oferece uma solução eficiente para a delaminação uniforme de chapas de eletrodos de veículos elétricos. Por exemplo, os eletrodos usados em baterias de veículos elétricos (EV) de célula de bolsa têm normalmente uma largura de aprox. 20 cm. Um sonotrodo da mesma largura transmite a 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 Faraday Institution 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 abaixo de um sonotrodo de alta potência (1000 a 2000 W, por exemplo, 1000 W, p. UIP1000hdT ou UIP2000hdT). Durante o tratamento ultrassônico, as ligações adesivas entre os materiais ativos e os coletores de corrente são quebradas para que, em uma etapa de purificação subsequente, um coletor de corrente intacto e um material ativo em pó possam ser recuperados.

A ultrassonografia quebra as ligações moleculares e facilita a recuperação de materiais essenciais durante a reciclagem de baterias.

Imagens mostrando o efeito do ultrassom na parte de trás de: a) folha de ânodo de bateria de íon de lítio e b) folha de cátodo de bateria de íon de lítio. O ânodo foi delaminado em 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 intensidade de potência de 120 W/cm2 aplicada por 3 segundos, a 2,5 mm de distância do sonotrodo. O tamanho da amostra foi de 3 cm x 3 cm.
(estudo e fotos: Lei et al., 2021)

Ultrassonicadores para delaminação de eletrodos

A Hielscher Ultrasonics projeta, fabrica e distribui processadores ultrassônicos de alto desempenho, que funcionam na faixa de 20kHz. Ultrassom de Hielscher’ Os ultrassônicos industriais são processadores de ultrassom de alta potência que podem fornecer amplitudes muito altas para aplicações exigentes. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados. Para o processo contínuo de delaminação de eletrodos, a Hielscher oferece uma variedade de sonotrodos padrão e personalizados. O tamanho do sonotrodo pode ser adaptado ao tamanho e largura do material do eletrodo, visando assim as condições ideais do processo para alto rendimento 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 de corrente obtido é de cobre puro.
(Imagem e estudo: Faraday Institution, Universidade de Birmingham, Universidade de Leicester)


Os homogeneizadores ultrassônicos de alto cisalhamento são usados em laboratório, bancada, piloto e processamento industrial.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração em escala laboratorial, piloto e industrial.


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