Recyklácia elektród – Vysoko efektívne s ultrazvukovou delamináciou

Ultrazvuková delaminácia elektród umožňuje obnoviť aktívne materiály, ako je lítium, nikel, mangán, kobalt atď. v priebehu niekoľkých sekúnd. Ultrazvuková elektródová delaminácia tým robí obnovu opakovane použiteľných materiálov z batérií rýchlejšou, zelenou a výrazne menej energeticky náročnou. Výskum už dokázal, že ultrazvuková delaminácia môže byť 100-krát rýchlejšia ako konvenčné recyklačné techniky.

Výkon ultrazvuk zlepšuje obnovu aktívnych materiálov z elektród

Ultrazvukovo assited delamination elektród ponúka rýchly, efektívny a udržateľný prístup k obnove 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 efektívnejšia ako hydrometalurgické a pyrometalurgické recyklačné procesy, ale tiež prináša materiály vyššej čistoty.

Recyklácia batérií: separácia elektród a delaminácia

Recyklácia lítium-iónových batérií (LIB) má za cieľ získať späť cenné materiály. Elektródy obsahujú vzácne a vzácne materiály, ako je lítium, nikel, mangán, kobalt atď., Ktoré je možné efektívne obnoviť pomocou kontinuálneho ultrazvukového procesu delaminácie. Ultrazvukové procesory vybavené sondou (sonotrode) môžu vytvárať intenzívne amplitúdy. Amplitúda prenáša ultrazvukové vlny do kvapalného média (napr. rozpúšťadlového kúpeľa), kde v dôsledku striedania vysokotlakových / nízkotlakových cyklov vznikajú minútové vákuové bubliny. Tieto vákuové bubliny rastú v priebehu niekoľkých cyklov, až kým nedosiahnu veľkosť, pri ktorej nemôžu absorbovať žiadnu ďalšiu energiu. V tomto bode bubliny prudko implodujú. Bublinová implózia vytvára lokálne vysoko energeticky husté prostredie s kvapalnými tryskami s rýchlosťou až 280 m/s, intenzívnymi turbulenciami, veľmi vysokými teplotami (cca 5 000K), tlakmi (cca 2 000atm) a podľa toho teplotnými a tlakovými diferenciálmi.
Tento jav ultrazvukom indukovanej bublinovej implózie je známy ako akustická kavitácia. Účinky akustickej kavitácie odstraňujú kompozitný film aktívneho materiálu zo zberača lúčového prúdu fólie, ktorý je po oboch stranách potiahnutý kompozitným filmom. aktívny materiál obsahuje väčšinou zmes oxidu lítneho mangánu (LMO) a oxidu kobaltu lítneho niklu mangánu (LiNiMnCoO2 alebo NMC), ako aj uhlíkovej čiernej ako vodivej prísady.
Mechanizmus ultrazvukovej delaminácie je založený na fyzických silách, ktoré sú schopné prelomiť molekulárne väzby. Vzhľadom na intenzitu výkonového ultrazvuku často súmnejšie rozpúšťadlá dostatočné na odstránenie vrstiev aktívneho materiálu z fólie alebo zberača prúdu. Ultrazvuková delaminácia elektródy je preto rýchlejšia, šetrná k životnému prostrediu a výrazne menej energeticky náročná.

Skenovanie elektrónovej mikroskopie (SEM) obrázky ukazujúce morfologické zmeny aktívneho materiálu elektródy po ultrazvukovej delaminácii. Všetky snímky boli zhotovené pri 5000-násobnom zväčšení a 10 kV excitačnej energii. a) katódový materiál pred delamináciou, b) delaminátovaným katódovým aktívnym materiálom, c) anódovým materiálom pred delaminačným materiálom a d) delaminátnym anódovým materiálom.
(štúdia a obrázky: Lei et al., 2021)

Drvenie batérie vs. separácia elektród

Na regeneráciu aktívneho materiálu sa na rozpustenie kovovej fólie, polymérneho spojiva a/alebo aktívneho materiálu používajú vodné alebo organické rozpúšťadlá. Návrh a tok procesu výrazne ovplyvňuje konečný výsledok obnovy materiálu. Tradičný proces recyklácie batérií zahŕňa drvenie batériových modulov. Drvené komponenty sa však ťažko delia na jednotlivé komponenty. Vyžaduje komplexné spracovanie, aby sa z drvenej hmoty získal aktívny/hodnotný materiál. Na opätovné použitie získaných aktívnych materiálov je potrebný určitý stupeň čistoty. Získavanie vysoko čistých materiálov z rozdrvenej batérie zahŕňa zložité procesy, tvrdé rozpúšťadlá, a preto je drahé. Ultrazvukové lúhovanie sa úspešne používa na zintenzívnenie a zlepšenie výsledkov aktívnej regenerácie 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. Pre proces separácie elektród sa batéria rozoberie na hlavné komponenty. Keďže elektródy obsahujú najväčší podiel cenného materiálu, elektróda sa oddelí a chemicky ošetrí, aby sa rozpustili aktívne materiály (lítium, nikel, mangán, kobalt ...) z potiahnutej fólie alebo zberača prúdu. Ultrazvukom je dobre známy pre svoje intenzívne účinky spôsobené akustickou kavitáciou. Sonomechanické sily aplikujú dostatok oscilácie a strihania na odstránenie aktívnych materiálov, ktoré sú vrstvené na fóliu. (Štruktúra potiahnutej fólie je podobná sendviču, fólia v strede a vrstva aktívneho materiálu postavili 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 zadržiavanie hodnoty v dodávkach

Ultrazvukové sonotródy pre delamináciu elektród

Špeciálne sonotródy, ktoré dodávajú požadovanú amplitúdu na odstránenie aktívnych materiálov z elektródovej fólie, sú ľahko dostupné. Keďže intenzita akustickej kavitácie klesá so zvyšujúcou sa vzdialenosťou medzi sonotródom a elektródou, je priaznivá nepretržite jednotná vzdialenosť medzi sonotródom a elektródou. To znamená, že elektródový list by sa mal pohybovať tesne pod špičkou sonotrode, kde sú tlakové vlny silné a hustota kavitácie je vysoká. So špeciálnymi sonotródami, ktoré ponúkajú širšiu šírku ako štandardná valcová ultrazvuková sonda, Hielscher Ultrasonics ponúka efektívne riešenie pre rovnomerné delamination elektródových plechov z elektrických vozidiel. Napríklad elektródy používané v batériách elektrických vozidiel (EV) s vreckovými článkami majú zvyčajne šírku približne 20 cm. Sonotrode rovnakej šírky prenáša akustickú kavitáciu rovnomerne na celom povrchu elektródy. Tým sa v priebehu niekoľkých sekúnd vrstvy aktívneho materiálu uvoľnia do rozpúšťadla a môžu sa extrahovať a vyčistiť do prášku. Tento prášok je možné opätovne použiť na výrobu nových batérií.
Výskumný tím britskej Faraday Institution uvádza, že odstránenie vrstiev aktívneho materiálu z LIB elektródy môže byť dokončené za menej ako 10 s, keď je elektróda umiestnená priamo pod vysoko výkonným sonotródom (1000 až 2000 W, napr. UIP1000hdT alebo UIP2000hdT). Počas ultrazvukového ošetrenia sú lepiace väzby medzi aktívnymi materiálmi a prúdovými kolektormi rozbité tak, že v následnom kroku čistenia je možné obnoviť neporušený zberač prúdu a práškový aktívny materiál.

Obrázky zobrazujúce účinok ultrazvuku na zadnej strane: a) anódového listu lítium-iónovej batérie a b) katódového plechu lítium-iónových batérií. Anóda bola delaminatovaná v roztoku kyseliny citrónovej 0,05 M; katóda bola delaminatovaná v roztoku 0,1 M NaOH. Sonotrode mal priemer 20 mm, pričom intenzita výkonu 120 W/cm2 sa uplatňovala 3 sekundy, vo vzdialenosti 2,5 mm od sonotrode. Veľkosť vzorky bola 3 cm x 3 cm.
(štúdia a obrázky: Lei et al., 2021)

Ultrasonicators pre delamináciu elektród

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové procesory, ktoré pracujú v rozsahu 20kHz. Hielscher Ultrazvukom’ priemyselné ultrasonicators sú vysoko výkonné ultrazvukové procesory, ktoré môžu dodať veľmi vysoké amplitúdy pre náročné aplikácie. Amplitúdy do 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v nepretržitej prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Pre nepretržitý proces delaminácie elektród ponúka Hielscher rad štandardných, ako aj prispôsobených sonotród. Veľkosť sonotrode je možné prispôsobiť veľkosti a šírke materiálu elektródy, čím sa zameria na optimálne procesné podmienky pre vysokú priepustnosť a vynikajúcu regeneráciu.

Literatúra/referencie