Переработка электродов – высокая эффективность благодаря ультразвуковому отслаиванию

Ультразвуковое отслаивание электродов позволяет за считанные секунды извлекать активные материалы, такие как литий, никель, марганец, кобальт и т. д. Таким образом, ультразвуковое отслаивание электродов делает извлечение пригодных для повторного использования материалов из аккумуляторов более быстрым, экологичным и значительно менее энергоёмким. Исследования уже доказали, что ультразвуковое отслаивание может быть в 100 раз быстрее традиционных методов переработки.

Мощный ультразвук улучшает извлечение активных материалов из электродов

Отслаивание электродов с помощью ультразвука обеспечивает быстрый, эффективный и экологически устойчивый способ извлечения активных материалов и фольги. Эти части электрода представляют собой ценные материалы, которые можно повторно использовать для производства новых аккумуляторов. Ультразвуковое отслаивание не только значительно более энергоэффективно, чем гидрометаллургические и пирометаллургические процессы переработки, но и позволяет получать материалы более высокой чистоты.

Переработка аккумуляторов: отделение и отслаивание электродов

Переработка литий-ионных аккумуляторов (LIB) направлена на извлечение ценных материалов. Электроды содержат ценные и редкие материалы, такие как литий, никель, марганец, кобальт и т. д., которые можно эффективно извлекать с помощью непрерывного процесса ультразвукового отслаивания. Ультразвуковые процессоры, оснащённые зондом (сонотродом), могут создавать колебания высокой амплитуды. Амплитуда обеспечивает передачу ультразвуковых волн в жидкую среду (например, ванну с растворителем), где вследствие чередующихся циклов высокого и низкого давления возникают мельчайшие вакуумные пузырьки. Эти вакуумные пузырьки растут в течение нескольких циклов, пока не достигнут размера, при котором больше не могут поглощать энергию. В этот момент пузырьки резко схлопываются. Схлопывание пузырьков локально создаёт среду с очень высокой плотностью энергии, струями жидкости со скоростью до 280m/s, интенсивной турбулентностью, очень высокими температурами (около 5 000K), давлениями (около 2 000atm) и соответствующими перепадами температуры и давления.
Это явление схлопывания пузырьков под действием ультразвука известно как акустическая кавитация. Воздействие акустической кавитации удаляет композитную плёнку активного материала с токосъёмника из фольги, покрытого этой композитной плёнкой с обеих сторон. Активный материал в основном содержит смесь порошков оксида лития-марганца (LMO) и оксида лития-никеля-марганца-кобальта (LiNiMnCoO2 или NMC), а также технический углерод в качестве проводящей добавки.
Механизм ультразвукового отслаивания основан на физических силах, способных разрывать молекулярные связи. Благодаря интенсивности мощного ультразвука для удаления слоёв активного материала с фольги или токосъёмника часто достаточно менее агрессивных растворителей. Таким образом, ультразвуковое отслаивание электродов происходит быстрее, более экологично и со значительно меньшими энергозатратами.

Изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (SEM), показывают морфологические изменения активного материала электродов при ультразвуковом отслаивании. Все изображения получены при увеличении 5000x и энергии возбуждения 10 kV. a) материал катода до отслаивания, b) отслоённый активный материал катода, c) материал анода до отслаивания и d) отслоённый материал анода.
(исследование и изображения: Lei et al., 2021)

Измельчение аккумуляторов в сравнении с отделением электродов

Для извлечения активного материала используют водные или органические растворители, растворяющие металлическую фольгу, полимерное связующее и/или активный материал. Организация и ход процесса существенно влияют на конечный результат извлечения материалов. Традиционный процесс переработки аккумуляторов включает измельчение аккумуляторных модулей. Однако измельчённые компоненты трудно разделить на отдельные составляющие. Для получения активного/ценного материала из измельчённой массы требуется сложная обработка. Для повторного использования извлечённых активных материалов необходима определённая степень чистоты. Получение материалов высокой чистоты из массы измельчённых аккумуляторов требует сложных процессов и агрессивных растворителей и поэтому обходится дорого. Ультразвуковое выщелачивание успешно используют для интенсификации и улучшения результатов извлечения активных материалов из измельчённых литий-ионных аккумуляторов.
В качестве альтернативы традиционному измельчению отделение электродов зарекомендовало себя как эффективный процесс переработки аккумуляторов, который может значительно повысить чистоту получаемых материалов. Для отделения электродов аккумулятор разбирают на основные компоненты. Поскольку электроды содержат наибольшую долю ценного материала, электрод отделяют и подвергают химической обработке, чтобы растворить активные материалы (литий, никель, марганец, кобальт …), нанесённые на фольгу или токосъёмник. Обработка ультразвуком хорошо известна своим интенсивным воздействием, обусловленным акустической кавитацией. Сономеханические силы обеспечивают достаточные колебания и сдвиг для удаления активных материалов, нанесённых слоями на фольгу. (Структура фольги с покрытием похожа на сэндвич: фольга находится в центре, а слой активного материала образует внешнюю поверхность.)
Отделение электродов было бы более целесообразным вариантом, чем измельчение, при использовании совместно с автономной разборкой, позволяя получать более чистые потоки отходов и сохранять большую ценность в снабжении

Ультразвуковые сонотроды для отслаивания электродов

Специальные сонотроды, обеспечивающие необходимую амплитуду для удаления активных материалов с электродной фольги, легко доступны. Поскольку интенсивность акустической кавитации снижается с увеличением расстояния между сонотродом и электродом, желательно постоянно поддерживать одинаковое расстояние между ними. Это означает, что электродный лист следует перемещать непосредственно под наконечником сонотрода, вблизи него, где волны давления сильны, а плотность кавитации высока. Благодаря специальным сонотродам, имеющим бо́льшую ширину, чем стандартный цилиндрический ультразвуковой зонд, Hielscher Ultrasonics предлагает эффективное решение для равномерного отслаивания электродных листов из электромобилей. Например, электроды, используемые в аккумуляторах электромобилей (EV) с ячейками в пакетном корпусе, обычно имеют ширину около 20 cm. Сонотрод такой же ширины равномерно передаёт акустическую кавитацию по всей поверхности электрода. Таким образом, за считанные секунды слои активного материала отделяются и переходят в растворитель, после чего материал можно извлечь и очистить, получив порошок. Этот порошок можно повторно использовать для производства новых аккумуляторов.
Исследовательская группа британского Института Фарадея сообщает, что удаление слоёв активного материала с электрода LIB может быть завершено менее чем за 10 s, если электрод расположен непосредственно под сонотродом высокой мощности (от 1000 до 2000 W, например UIP1000hdT или UIP2000hdT). При обработке ультразвуком адгезионные связи между активными материалами и токосъёмниками разрушаются, благодаря чему на последующем этапе очистки можно извлечь неповреждённый токосъёмник и порошкообразный активный материал.

Изображения показывают воздействие ультразвука на обратную сторону: a) анодного листа литий-ионного аккумулятора и b) катодного листа литий-ионного аккумулятора. Анод подвергали отслаиванию в растворе лимонной кислоты 0,05 M; катод подвергали отслаиванию в растворе NaOH 0,1 M. Диаметр сонотрода составлял 20 mm; обработку проводили при интенсивности мощности 120 W/cm2 в течение 3 секунд на расстоянии 2,5 mm от сонотрода. Размер образца составлял 3 cm x 3 cm.
(исследование и изображения: Lei et al., 2021)

Ультразвуковые аппараты для отслаивания электродов

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и поставляет высокопроизводительные ультразвуковые процессоры, работающие в диапазоне 20kHz. Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher Ultrasonics представляют собой ультразвуковые процессоры высокой мощности, способные обеспечивать очень высокие амплитуды для сложных задач. Непрерывная работа с амплитудами до 200µm легко обеспечивается в режиме 24/7. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Для непрерывного процесса отслаивания электродов Hielscher предлагает ряд стандартных сонотродов, а также сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Размер сонотрода можно адаптировать к размеру и ширине электродного материала, обеспечивая оптимальные условия процесса для высокой производительности и превосходного извлечения материалов.

Литература / Источники

• 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.