Переработка электродов – Высокая эффективность при ультразвуковом расслаивании

Ультразвуковое расслоение электродов позволяет за считанные секунды восстанавливать активные вещества, такие как литий, никель, марганец, кобальт и т.д. Таким образом, расслоение ультразвуковых электродов делает восстановление повторно используемых материалов из батарей быстрее, экологичнее и значительно менее энергоемким. Исследования уже доказали, что ультразвуковое расслоение может быть в 100 раз быстрее, чем обычные методы переработки.

Мощный ультразвук улучшает восстановление активных веществ из электродов

Ультразвуковое расслоение электродов обеспечивает быстрый, эффективный и устойчивый подход к восстановлению активных веществ и фольги. Эти части электрода являются ценными материалами, которые могут быть повторно использованы для изготовления новых аккумуляторов. Ультразвуковое расслоение не только значительно более энергоэффективно, чем гидрометаллургические и пирометаллургические процессы переработки, но и позволяет получать материалы более высокой чистоты.

Утилизация аккумуляторов: разделение электродов и расслоение

Переработка литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) направлена на восстановление ценных материалов. Электроды содержат ценные и редкие материалы, такие как литий, никель, марганец, кобальт и т. д., которые могут быть эффективно восстановлены с помощью непрерывного процесса ультразвукового расслоения. Ультразвуковые процессоры, оснащенные зондом (сонотродом), могут создавать интенсивные амплитуды. Амплитуда передает ультразвуковые волны в жидкую среду (например, ванну с растворителем), где из-за чередования циклов высокого и низкого давления возникают мельчайшие пузырьки вакуума. Эти вакуумные пузырьки растут в течение нескольких циклов, пока не достигнут размера, при котором они не смогут поглощать дальнейшую энергию. В этот момент пузырьки с силой взрываются. Имплозия пузырьков локально создает высокоэнергоемкую среду с жидкими струями со скоростью до 280 м/с, интенсивными турбулентностями, очень высокими температурами (около 5 000 К), давлениями (около 2 000 атм) и, соответственно, температурой и перепадами давления.
Это явление ультразвуковой имплозии пузырьков известно как акустическая кавитация. Эффекты акустической кавитации удаляют композитную пленку активного материала с фольгированного токосъемника, который с двух сторон покрыт композитной пленкой. активный материал содержит в основном смесь порошка оксида лития-марганца (LMO) и порошка литий-никелевого-марганцевого оксида кобальта (LiNiMnCoO2 или NMC), а также технический углерод в качестве проводящей добавки.
Механизм ультразвукового расслоения основан на физических силах, которые способны разрывать молекулярные связи. Из-за интенсивности сил-ультразвука часто достаточно более мягких растворителей для удаления слоев активного материала с фольги или токоприемника. Таким образом, ультразвуковое расслоение электрода происходит быстрее, экологически безопасно и значительно менее энергозатратно.

Изображения с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), показывающие морфологические изменения активного материала электрода при ультразвуковом расслаивании. Все снимки были получены при увеличении 5000x и энергии возбуждения 10 кВ. a) материал катода предварительно расслаивается, b) расслоенный активный материал катода, c) материал анода предварительно расслаивается и d) расслоенный материал анода.
(исследование и фотографии: Lei et al., 2021)

Измельчение батарей в сравнении с разделением электродов

Для восстановления активного вещества используются либо водные, либо органические растворители для растворения металлической фольги, полимерного связующего и/или активного материала. Структура технологического процесса и поток оказывают существенное влияние на конечный результат восстановления материала. Традиционный процесс переработки батареек включает в себя измельчение аккумуляторных модулей. Однако измельченные компоненты трудно разделить на отдельные компоненты. Он требует сложной обработки для получения активного/ценного материала из измельченной массы. Для повторного использования восстановленных активных веществ требуется определенная степень чистоты. Извлечение высокочистых материалов из измельченных аккумуляторных батарей связано со сложными процессами, агрессивными растворителями и поэтому является дорогостоящим. Ультразвуковое выщелачивание успешно применяется для интенсификации и улучшения результатов извлечения активного материала из измельченных литий-ионных аккумуляторов.
В качестве альтернативы традиционному измельчению, разделение электродов было показано как эффективный процесс переработки аккумуляторов, который может значительно улучшить чистоту получаемых материалов. В процессе разделения электродов батарея разбирается на основные компоненты. Поскольку электроды содержат наибольшую долю ценного материала, электрод отделяется и обрабатывается химически для растворения активных веществ (литий, никель, марганец, кобальт...) из фольги с покрытием или токоприемника. Ультразвуковая технология хорошо известна своими интенсивными эффектами, вызванными акустической кавитацией. Сономеханические силы оказывают достаточное колебание и сдвиг для удаления активных материалов, которые наслаиваются на фольгу. (Структура фольги с покрытием похожа на сэндвич, фольга в центре и слой активного материала образуют внешнюю поверхность.)
Разделение электродов было бы более жизнеспособным вариантом, чем измельчение, при использовании в сочетании с автономным демонтажем, что позволило бы получить более чистые потоки отходов и большее сохранение ценности в расходе

Ультразвуковые сонотроды для расслоения электродов

Специальные сонотроды, обеспечивающие необходимую амплитуду для удаления активных веществ с электродной фольги. Поскольку интенсивность акустической кавитации уменьшается с увеличением расстояния между сонотродом и электродом, предпочтительным является постоянно равномерное расстояние между сонотродом и электродом. Это означает, что лист электрода должен быть расположен близко к наконечнику сонотрода, где волны давления сильны, а плотность кавитации высока. Благодаря специальным сонотродам, имеющим более широкую ширину, чем у стандартного цилиндрического ультразвукового датчика, Hielscher Ultrasonics предлагает эффективное решение для равномерного расслоения электродных листов электродов от электромобилей. Например, электроды, используемые в аккумуляторах для электромобилей (EV), обычно имеют ширину около 20 см. Сонотрод одинаковой ширины равномерно передает акустическую кавитацию по всей поверхности электрода. Таким образом, в течение нескольких секунд слои активного вещества высвобождаются в растворитель и могут быть экстрагированы и очищены в порошок. Этот порошок можно повторно использовать для производства новых аккумуляторов.
Исследовательская группа из Института Фарадея в Великобритании сообщает, что удаление слоев активного материала с электрода LIB может быть завершено менее чем за 10 с, если электрод расположен непосредственно под высокомощным сонотродом (например, от 1000 до 2000 Вт). УИП1000HDT или УИП2000HDT). Во время ультразвуковой обработки адгезивные связи между активными материалами и токосъемниками разрываются, так что на последующей стадии очистки может быть восстановлен неповрежденный токосъемник и порошкообразный активный материал.

Изображения, показывающие воздействие ультразвука на обратной стороне: а) анодного листа литий-ионного аккумулятора и б) катодного листа литий-ионного аккумулятора. Анод расслаивали в растворе 0,05 М лимонной кислоты; катод расслаивали в растворе 0,1 М NaOH. Сонотрод имел диаметр 20 мм, с интенсивностью питания 120 Вт/см2 в течение 3 секунд на расстоянии 2,5 мм от сонотрода. Размер образца составил 3 см х 3 см.
(исследование и фотографии: Lei et al., 2021)

Ультразвуковые аппараты для расслоения электродов

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и распространяет высокопроизводительные ультразвуковые процессоры, которые работают в диапазоне 20 кГц. Ультразвуковые технологии Hielscher’ Промышленные ультразвуковые аппараты — это мощные ультразвуковые процессоры, которые могут обеспечивать очень высокую амплитуду для требовательных приложений. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Для непрерывного процесса расслоения электродов компания Hielscher предлагает ряд стандартных, а также индивидуальных сонотродов. Размер сонотрода можно адаптировать к размеру и ширине материала электрода, тем самым нацеливаясь на оптимальные технологические условия для высокой производительности и превосходного извлечения.

Литература / Литература