Reciclagem de elétrodos – Altamente eficiente com delaminação ultrassónica

A delaminação ultrassónica de elétrodos permite recuperar materiais ativos, como lítio, níquel, manganês, cobalto, etc., em poucos segundos. Assim, a delaminação ultrassónica de elétrodos torna a recuperação de materiais reutilizáveis das baterias mais rápida, ecológica e significativamente menos intensiva em energia. A investigação já demonstrou que a delaminação ultrassónica pode ser 100 vezes mais rápida do que as técnicas convencionais de reciclagem.

Os ultrassons de potência melhoram a recuperação de materiais ativos dos elétrodos

A delaminação de elétrodos assistida por ultrassons oferece uma abordagem rápida, eficiente e sustentável para recuperar materiais ativos e a folha metálica. Estas partes do elétrodo são materiais valiosos que podem ser reutilizados no fabrico de novas baterias. A delaminação ultrassónica é significativamente mais eficiente em termos energéticos do que os processos de reciclagem hidrometalúrgicos e pirometalúrgicos e também permite obter materiais de maior pureza.

Reciclagem de baterias: separação e delaminação de elétrodos

A reciclagem de baterias de iões de lítio (LIB) visa recuperar materiais valiosos. Os elétrodos contêm materiais preciosos e raros, como lítio, níquel, manganês, cobalto, etc., que podem ser recuperados eficientemente através de um processo contínuo de delaminação ultrassónica. Os processadores ultrassónicos equipados com uma sonda (sonotrodo) podem gerar amplitudes intensas. A amplitude transmite ondas ultrassónicas para o meio líquido (por exemplo, um banho de solvente), onde se formam minúsculas bolhas de vácuo devido a ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão. Estas bolhas de vácuo crescem ao longo de alguns ciclos, até atingirem uma dimensão à qual já não conseguem absorver mais energia. Neste ponto, as bolhas implodem violentamente. A implosão das bolhas gera localmente um ambiente de elevada densidade energética, com jatos de líquido a velocidades de até 280m/s, turbulência intensa, temperaturas muito elevadas (aprox. 5 000K), pressões (aprox. 2 000atm) e, consequentemente, diferenciais de temperatura e pressão.
Este fenómeno de implosão de bolhas induzida por ultrassons é conhecido como cavitação acústica. Os efeitos da cavitação acústica removem a película compósita de material ativo do coletor de corrente em folha metálica, que está revestido em ambos os lados com a película compósita. O material ativo contém sobretudo uma mistura de óxido de lítio e manganês (LMO) e de óxido de lítio, níquel, manganês e cobalto (LiNiMnCoO2 ou NMC) em pó, bem como negro de carbono como aditivo condutor.
O mecanismo da delaminação ultrassónica baseia-se em forças físicas capazes de quebrar ligações moleculares. Devido à intensidade dos ultrassons de potência, solventes mais suaves são frequentemente suficientes para remover as camadas de material ativo da folha metálica ou do coletor de corrente. Assim, a delaminação ultrassónica de elétrodos é mais rápida, amiga do ambiente e significativamente menos intensiva em energia.

Imagens de microscopia eletrónica de varrimento (SEM) que mostram as alterações morfológicas do material ativo do elétrodo após a delaminação ultrassónica. 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 elétrodos

Para recuperar o material ativo, utilizam-se solventes aquosos ou orgânicos para dissolver a folha metálica, o ligante polimérico e/ou o material ativo. A conceção e a sequência do processo influenciam significativamente o resultado final da recuperação de materiais. 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. É necessário um processamento complexo para obter material ativo/valioso a partir da massa triturada. Para reutilizar os materiais ativos recuperados, é necessário um determinado grau de pureza. A recuperação de materiais de elevada pureza a partir da massa de baterias trituradas envolve processos complexos e solventes agressivos, sendo, por isso, dispendiosa. A lixiviação ultrassónica é utilizada com sucesso para intensificar e melhorar os resultados da recuperação de materiais ativos a partir de baterias de iões de lítio trituradas.
Como processo alternativo à trituração tradicional, a separação de elétrodos tem demonstrado ser um processo eficaz de reciclagem de baterias, capaz de melhorar significativamente a pureza dos materiais obtidos. No processo de separação de elétrodos, a bateria é desmontada nos seus principais componentes. Uma vez que os elétrodos contêm a maior proporção de material valioso, o elétrodo é separado e tratado quimicamente para dissolver os materiais ativos (lítio, níquel, manganês, cobalto …) da folha metálica revestida ou do coletor de corrente. A sonicação é bem conhecida pelos seus efeitos intensos causados pela cavitação acústica. As forças sonomecânicas aplicam oscilação e cisalhamento suficientes para remover os materiais ativos dispostos em camadas sobre a folha metálica. (A estrutura de uma folha metálica revestida é semelhante à de uma sanduíche, com a folha metálica no centro e a camada de material ativo a formar a superfície exterior.)
A separação de elétrodos 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 ultrassónicos para delaminação de elétrodos

Estão prontamente disponíveis sonotrodos especiais que fornecem a amplitude necessária para remover os materiais ativos da folha metálica do elétrodo. Como a intensidade da cavitação acústica diminui com o aumento da distância entre o sonotrodo e o elétrodo, é favorável manter uma distância constantemente uniforme entre ambos. Isto significa que a folha do elétrodo deve ser deslocada perto da ponta do sonotrodo, por baixo desta, onde as ondas de pressão são fortes e a densidade de cavitação é elevada. Com sonotrodos especiais de maior largura do que a sonda ultrassónica cilíndrica padrão, a Hielscher Ultrasonics oferece uma solução eficiente para a delaminação uniforme de folhas de elétrodos de veículos elétricos. Por exemplo, os elétrodos utilizados em baterias de veículos elétricos (EV) com células do tipo bolsa têm normalmente uma largura de aprox. 20 cm. Um sonotrodo da mesma largura transmite cavitação acústica uniformemente em toda a superfície do elétrodo. Assim, em poucos segundos, as camadas de material ativo são libertadas para o solvente e podem ser extraídas e purificadas para obter um pó. Este pó pode ser reutilizado na produção de novas baterias.
A equipa de investigação da Faraday Institution, no Reino Unido, relata que a remoção das camadas de material ativo do elétrodo de uma LIB pode ser concluída em menos de 10 s quando o elétrodo se encontra 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 ativos e os coletores de corrente são quebradas, de modo que, numa etapa de purificação subsequente, se podem recuperar um coletor de corrente intacto e material ativo em pó.

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

Sonicadores para delaminação de elétrodos

A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui processadores ultrassónicos de elevado desempenho que funcionam na gama dos 20kHz. Os sonicadores industriais da Hielscher Ultrasonics são processadores de ultrassons de alta potência capazes de fornecer amplitudes muito elevadas para aplicações exigentes. É possível manter facilmente amplitudes de até 200µm de forma contínua em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. Para o processo contínuo de delaminação de elétrodos, a Hielscher oferece uma gama de sonotrodos padrão e personalizados. A dimensão do sonotrodo pode ser adaptada à dimensão e à largura do material do elétrodo, visando assim condições de processo ótimas para uma elevada capacidade de processamento e uma recuperação superior.

Bibliografia / Referências

• Lei, Chunhong; Aldous, Iain; Hartley, Jennifer; Thompson, Dana; Scott, Sean; Hanson, Rowan; Anderson, Paul; Kendrick, Emma; Sommerville, Rob; Ryder, Karl; Abbott, Andrew (2021): Lithium ion battery recycling using high-intensity ultrasonication. Green Chemistry 23(13), 2021.
• Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
• Zhang, Zheming; He, Wenzhi; Li, Guangming; Xia, Jing; Hu, Huikang; Huang, Juwen (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO2 from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. International Journal of Electrochemical Science 9, 2014. 3691-3700.