Recyklácia elektród – Vysoko účinný s ultrazvukovou delamináciou

Ultrazvuková delaminácia elektród umožňuje v priebehu niekoľkých sekúnd získať aktívne materiály, ako je lítium, nikel, mangán, kobalt atď. Vďaka ultrazvukovej delaminácii elektród je regenerácia opakovane použiteľných materiálov z batérií rýchlejšia, ekologická a výrazne menej energeticky náročná. Výskum už dokázal, že ultrazvuková delaminácia môže byť 100-krát rýchlejšia ako bežné recyklačné techniky.

Výkonový ultrazvuk zlepšuje regeneráciu aktívnych materiálov z elektród

Ultrazvukom asistovaná delaminácia elektród ponúka rýchly, efektívny a udržateľný prístup k regenerácii aktívnych materiálov a fólie. Tieto časti elektródy sú cenné materiály, ktoré je možné opätovne použiť na výrobu nových batérií. Ultrazvuková delaminácia je nielen výrazne energeticky účinnejšia ako hydrometalurgické a pyrometalurgické recyklačné procesy, ale prináša aj materiály vyššej čistoty.

Recyklácia batérií: Separácia elektród a delaminácia

Recyklácia lítium-iónových batérií (LIB) má za cieľ získať cenné materiály. Elektródy obsahujú vzácne a vzácne materiály, ako je lítium, nikel, mangán, kobalt atď., ktoré je možné efektívne získať pomocou kontinuálneho procesu ultrazvukovej delaminácie. Ultrazvukové procesory vybavené sondou (sonotrodou) môžu vytvárať intenzívne amplitúdy. Amplitúda prenáša ultrazvukové vlny do kvapalného média (napr. Rozpúšťadlový kúpeľ), kde v dôsledku striedavých vysokotlakových / nízkotlakových cyklov vznikajú nepatrné vákuové bubliny. Tieto vákuové bubliny rastú počas niekoľkých cyklov, až kým nedosiahnu veľkosť, pri ktorej nemôžu absorbovať žiadnu ďalšiu energiu. V tomto bode bubliny prudko implodujú. Implózia bublín vytvára lokálne vysoko energeticky husté prostredie s prúdmi kvapaliny s rýchlosťou až 280 m/s, intenzívnymi turbulenciami, veľmi vysokými teplotami (cca 5 000 K), tlakmi (cca 2 000 atm) a podľa toho teplotnými a tlakovými rozdielmi.
Tento fenomén ultrazvukom indukovanej bublinovej implózie je známa akustická kavitácia. Účinky akustickej kavitácie odstraňujú kompozitný film aktívneho materiálu z fóliového kolektora prúdu, ktorý je z oboch strán potiahnutý kompozitným filmom. aktívny materiál obsahuje väčšinou zmes prášku oxidu lítno-mangánového (LMO) a lítno-nikel-mangán-kobaltnatého oxidu (LiNiMnCoO2 alebo NMC), ako aj sadze ako vodivú prísadu.
Mechanizmus ultrazvukovej delaminácie je založený na fyzikálnych silách, ktoré sú schopné prerušiť molekulárne väzby. Vzhľadom na intenzitu výkonového ultrazvuku často postačujú miernejšie rozpúšťadlá na odstránenie vrstiev aktívneho materiálu z fólie alebo zberača prúdu. Ultrazvuková delaminácia elektródy je tak rýchlejšia, šetrná k životnému prostrediu a výrazne menej energeticky náročná.

Snímky skenovacej elektrónovej mikroskopie (SEM) ukazujúce morfologické zmeny aktívneho materiálu elektródy pri ultrazvukovej delaminácii. Všetky snímky boli urobené pri 5000-násobnom zväčšení a budiacej energii 10 kV. a) predbežná delaminácia katódového materiálu, b) delaminovaný katódový aktívny materiál, c) anódový materiál predbežná delaminácia a d) delaminovaný anódový materiál.
(štúdia a obrázky: Lei et al., 2021)

Drvenie batérií vs. separácia elektród

Na regeneráciu aktívneho materiálu sa používajú vodné alebo organické rozpúšťadlá na rozpustenie kovovej fólie, polymérneho spojiva a/alebo aktívneho materiálu. Návrh a tok procesu významne ovplyvňujú konečný výsledok zhodnocovania materiálu. Tradičný proces recyklácie batérií zahŕňa skartáciu batériových modulov. Rozdrvené komponenty sa však ťažko rozdeľujú na jednotlivé komponenty. Vyžaduje si zložité spracovanie, aby sa z nastrúhanej hmoty získal aktívny/cenný materiál. Na opätovné použitie zhodnotených aktívnych materiálov je potrebný určitý stupeň čistoty. Získavanie vysoko čistých materiálov z rozdrvených batérií zahŕňa zložité procesy, drsné rozpúšťadlá, a preto je drahé. Ultrazvukové lúhovanie sa úspešne používa na zintenzívnenie a zlepšenie výsledkov regenerácie aktívneho materiálu z drvených lítium-iónových batérií.
Ako alternatívny proces k tradičnému drveniu sa separácia elektród ukázala ako účinný proces recyklácie batérií, ktorý môže výrazne zlepšiť čistotu získaných materiálov. Pri procese separácie elektród sa batéria rozloží na hlavné komponenty. Keďže elektródy obsahujú najväčší podiel cenného materiálu, elektróda sa oddelí a chemicky upraví, aby sa rozpustili aktívne materiály (lítium, nikel, mangán, kobalt...) z potiahnutej fólie alebo zberača prúdu. Ultrazvuk je dobre známy svojimi intenzívnymi účinkami spôsobenými akustickou kavitáciou. Sonomechanické sily pôsobia dostatočnou osciláciou a šmykom na odstránenie aktívnych materiálov, ktoré sú navrstvené na fóliu. (Štruktúra potiahnutej fólie je podobná sendviču, fólia v strede a vrstva aktívneho materiálu tvoria vonkajší povrch.)
Separácia elektród by bola životaschopnejšou možnosťou ako drvenie, ak by sa použila v spojení s autonómnou demontážou, čo by umožnilo čistejšie toky odpadu a väčšie zachovanie hodnoty v dodávke

Ultrazvukové sonotródy na delamináciu elektród

Špeciálne sonotródy dodávajúce požadovanú amplitúdu na odstránenie aktívnych materiálov z elektródovej fólie sú ľahko dostupné. Keďže intenzita akustickej kavitácie klesá so zvyšujúcou sa vzdialenosťou medzi sonotródou a elektródou, je priaznivá nepretržite rovnomerná vzdialenosť medzi sonotródou a elektródou. To znamená, že elektródový plech by sa mal pohybovať tesne pod hrotom sonotródy, kde sú tlakové vlny silné a hustota kavitácie je vysoká. So špeciálnymi sonotródami, ktoré ponúkajú širšiu šírku ako štandardná valcová ultrazvuková sonda, ponúka spoločnosť Hielscher Ultrasonics efektívne riešenie pre rovnomernú delamináciu elektródových dosiek z elektrických vozidiel. Napríklad elektródy používané vo vreckových batériách elektrických vozidiel (EV) majú zvyčajne šírku cca. 20 cm. Sonotróda rovnakej šírky prenáša akustickú kavitáciu rovnomerne na celom povrchu elektródy. V priebehu niekoľkých sekúnd sa vrstvy aktívneho materiálu uvoľnia do rozpúšťadla a môžu sa extrahovať a vyčistiť na prášok. Tento prášok je možné opätovne použiť na výrobu nových batérií.
Výskumný tím britského Faradayovho inštitútu uvádza, že odstránenie vrstiev aktívneho materiálu z elektródy LIB môže byť dokončené za menej ako 10 sekúnd, keď je elektróda umiestnená priamo pod vysokovýkonnou sonotródou (1000 až 2000 W, napr. UIP1000hdT alebo UIP2000hdT). Počas ultrazvukového ošetrenia sa lepiace väzby medzi aktívnymi materiálmi a zberačmi prúdu prerušia, takže v následnom kroku čistenia je možné získať neporušený zberač prúdu a práškový aktívny materiál.

Obrázky znázorňujúce účinok ultrazvuku na zadnej strane: a) anódovej fólie lítium-iónovej batérie a b) katódovej fólie lítium-iónovej batérie. Anóda bola delaminovaná v roztoku 0,05 M kyseliny citrónovej; katóda bola delaminovaná v roztoku 0,1 M NaOH. Sonotroda mala priemer 20 mm, s intenzitou výkonu 120 W/cm2 aplikovanou na 3 sekundy, vo vzdialenosti 2,5 mm od sonotrody. Veľkosť vzorky bola 3 cm x 3 cm.
(štúdia a obrázky: Lei et al., 2021)

Ultrazvukové prístroje na delamináciu elektród

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové procesory, ktoré pracujú v rozsahu 20 kHz. Hielscher Ultrasonics’ Priemyselné ultrazvukové procesory sú vysokovýkonné ultrazvukové procesory, ktoré môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy pre náročné aplikácie. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Pre kontinuálny proces delaminácie elektród ponúka spoločnosť Hielscher celý rad štandardných aj prispôsobených sonotrod. Veľkosť sonotródy je možné prispôsobiť veľkosti a šírke materiálu elektródy, čím sa zamerajú na optimálne procesné podmienky pre vysokú priepustnosť a vynikajúcu výťažnosť.

Literatúra / Referencie