Reciclarea electrozilor – Foarte eficient cu delaminare cu ultrasunete

Delaminarea cu ultrasunete a electrozilor permite recuperarea materialelor active, ar fi litiu, nichel, mangan, cobalt etc. în câteva secunde. Astfel, delaminarea electrozilor cu ultrasunete face recuperarea materialelor reutilizabile din baterii mai rapidă, verde și semnificativ mai puțin consumatoare de energie. Cercetările au dovedit deja că delaminarea cu ultrasunete poate fi de 100 de ori mai rapidă decât tehnicile convenționale de reciclare.

Ultrasunetele de putere îmbunătățesc recuperarea materialelor active din electrozi

Delaminarea ultrasonically assited a electrozilor oferă o abordare rapidă, eficientă, și durabilă recuperarea materialelor active și a foliei. Aceste părți ale electrodului sunt materiale valoroase, care pot fi reutilizate pentru fabricarea de baterii noi. Delaminarea cu ultrasunete nu este doar semnificativ mai eficientă din punct de vedere energetic decât procesele de reciclare hidrometalurgică și pirometalurgică, ci și în materiale de puritate mai mare.

Reciclarea bateriilor: separarea și delaminarea electrozilor

Reciclarea bateriilor litiu-ion (LIB) are ca scop recuperarea materialelor valoroase. Electrozii conțin materiale prețioase și rare, ar fi litiu, nichel, mangan, cobalt etc., care pot fi recuperate eficient folosind un proces continuu de delaminare cu ultrasunete. Procesoarele cu ultrasunete echipate cu o sondă (sonotrode) pot crea amplitudini intense. Amplitudinea transmite undele cu ultrasunete în mediul lichid (de exemplu, baie de solvent), unde, datorită ciclurilor alternative de înaltă presiune / joasă presiune, apar bule de vid minute. Aceste bule de vid cresc în câteva cicluri, până când ajung la o dimensiune la care nu mai pot absorbi energie. În acest moment, bulele implodează violent. Implozia cu bule generează local un mediu foarte dens din punct de vedere energetic, cu jeturi lichide cu o viteză de până la 280 m/s, turbulențe intense, temperaturi foarte ridicate (aproximativ 5.000 K), presiuni (aproximativ 2.000 atm) și, în consecință, diferențe de temperatură și presiune.
Acest fenomen de implozie cu bule induse ultrasonically este cunoscut cavitație acustică. Efectele cavitației acustice îndepărtează filmul compozit de material activ din colectorul de curent al foliei, care este acoperit pe ambele părți cu filmul compozit. materialul activ conține în principal un amestec de oxid de litiu mangan (LMO) și pulbere de oxid de litiu-nichel-mangan cobalt (LiNiMnCoO2 sau NMC), precum și negru de fum ca aditiv conductiv.
Mecanismul delaminării cu ultrasunete se bazează pe forțe fizice, care sunt capabile să rupă legăturile moleculare. Datorită intensității ultrasunetelor de putere, adesea solvenții mai blânzi sunt suficienți pentru a îndepărta straturile de material activ din folie sau colectorul de curent. Astfel, delaminarea cu ultrasunete a electrodului este mai rapidă, ecologică și semnificativ mai puțin consumatoare de energie.

Imagini de microscopie electronică de scanare (SEM) care arată modificările morfologice ale materialului activ al electrodului la delaminarea cu ultrasunete. Toate imaginile au fost realizate la o mărire de 5000x și o energie de excitație de 10 kV. a) predelaminarea materialului catodic, b) materialul activ catodic delaminat, c) predelaminarea materialului anodic și d) materialul anodic delaminat.
(studiu și imagini: Lei et al., 2021)

Mărunțirea bateriei vs. separarea electrozilor

Pentru recuperarea materialului activ se utilizează solvenți apoși sau organici pentru dizolvarea foliei metalice, a liantului polimeric și/sau a materialului activ. Proiectarea procesului și fluxul influențează semnificativ rezultatul final al recuperării materialelor. Procesul tradițional de reciclare a bateriilor implică mărunțirea modulelor bateriei. Cu toate acestea, componentele mărunțite sunt dificil de separat în componente individuale. Este nevoie de o prelucrare complexa pentru a obtine material activ/valoros din masa maruntita. Pentru a reutiliza materialele active recuperate, este necesar un anumit grad de puritate. Recuperarea materialelor extrem de pure din bateria mărunțită în vrac implică procese complexe, solvenți duri și, prin urmare, este costisitoare. Leșierea cu ultrasunete este utilizată cu succes pentru a intensifica și îmbunătăți rezultatele recuperării materialului activ din bateriile litiu-ion mărunțite.
Ca un proces alternativ la mărunțirea tradițională, separarea electrozilor s-a dovedit a fi un proces eficient de reciclare a bateriilor, care poate îmbunătăți semnificativ puritatea materialelor obținute. Pentru procesul de separare a electrozilor, bateria este dezasamblată în componentele sale majore. Deoarece electrozii conțin cea mai mare parte de material valoros, electrodul este separat și tratat chimic pentru a dizolva materialele active (litiu, nichel, mangan, cobalt ...) din folia acoperită sau colectorul de curent. Ultrasonication este bine cunoscut pentru efectele sale intense cauzate de cavitație acustică. Forțele sonomecanice aplică suficientă oscilație și forfecare pentru a îndepărta materialele active, care sunt stratificate pe folie. (Structura unei folii acoperite este similară cu cea a unui sandwich, folia din centru și stratul de material activ au construit suprafața exterioară.)
Separarea electrozilor ar face o opțiune mai viabilă decât mărunțirea, atunci când este utilizată împreună cu dezasamblarea autonomă, permițând fluxuri de deșeuri mai pure și o mai mare reținere a valorii în aprovizionare

Sonotrodes cu ultrasunete pentru delaminarea electrozilor

Sonotrodes speciale care furnizează amplitudinea necesară pentru a îndepărta materialele active din folia de electrod sunt ușor disponibile. Deoarece intensitatea cavitației acustice scade odată cu creșterea distanței dintre sonotrod și electrod, este favorabilă o distanță uniformă continuă între sonotrode și electrod. Acest lucru înseamnă, foaia de electrod ar trebui să fie mutat îndeaproape sub vârful sonotrode, în cazul în care undele de presiune sunt puternice și densitatea cavitație este mare. Cu sonotrodes speciale oferind o lățime mai largă decât sonda standard cilindrică cu ultrasunete, Hielscher Ultrasonics oferă o soluție eficientă pentru delaminarea uniformă a foilor de electrozi de la vehiculele electrice. De exemplu, electrozii utilizați în bateriile vehiculelor electrice cu celule de tip pungă (EV) au de obicei o lățime de aproximativ 20 cm. Un sonotrod de aceeași lățime transmite cavitația acustică uniform pe întreaga suprafață a electrodului. Astfel, în câteva secunde, straturile de material activ sunt eliberate în solvent și pot fi extrase și purificate în pulbere. Această pulbere poate fi reutilizată pentru producerea de baterii noi.
Echipa de cercetare a Institutului Faraday din Marea Britanie raportează că îndepărtarea straturilor de material activ din electrodul LIB poate fi finalizată în mai puțin de 10 s atunci când electrodul este situat direct sub un sonotrod de mare putere (1000 până la 2000 W, de exemplu. UIP1000hdT sau UIP2000hdT). În timpul tratamentului cu ultrasunete, legăturile adezive dintre materialele active și colectoarele de curent sunt rupte, astfel încât într-o etapă ulterioară de purificare să poată fi recuperat un colector de curent intact și material activ sub formă de pulbere.

Imagini care arată efectul ultrasunetelor pe partea din spate a: a) foii anodice a bateriei litiu-ion și b) foii catodului bateriei litiu-ion. Anodul a fost delaminat într-o soluție de acid citric 0,05 M; catodul a fost delaminat într-o soluție de 0,1 M NaOH. Sonotroda a fost de 20 mm în diametru, cu 120 W / cm2 intensitatea puterii aplicate timp de 3 secunde, la 2.5 mm distanță de sonotrode. Dimensiunea eșantionului a fost de 3 cm x 3 cm.
(studiu și imagini: Lei et al., 2021)

Ultrasonicators pentru delaminarea electrozilor

Hielscher Ultrasonics proiectează, produce și distribuie procesoare cu ultrasunete de înaltă performanță, care funcționează în intervalul 20kHz. Hielscher Ultrasonics’ Ultrasonicators industriale sunt procesoare cu ultrasunete de mare putere, care pot oferi amplitudini foarte mari pentru aplicații exigente. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. Pentru procesul continuu de delaminare a electrozilor, Hielscher oferă o gamă de sonotrode standard, precum și personalizate. Dimensiunea sonotrodei poate fi adaptată la dimensiunea și lățimea materialului electrodului, vizând astfel condițiile optime de proces pentru un randament ridicat și o recuperare superioară.

Literatură / Referințe