Riciklimi i elektrodave – Shumë efikas me delaminim me ultratinguj

Delaminimi i elektrodave me ultratinguj mundëson rikuperimin e materialeve aktive si litiumi, nikeli, mangani, kobalti etj. brenda pak sekondash. Kështu, delaminimi i elektrodave me ultratinguj e bën rikuperimin e materialeve të ripërdorshme nga bateritë më të shpejtë, ekologjik dhe me konsum dukshëm më të ulët energjie. Hulumtimet kanë vërtetuar tashmë se delaminimi me ultratinguj mund të jetë 100 herë më i shpejtë se teknikat konvencionale të riciklimit.

Ultratingujt me fuqi të lartë përmirësojnë rikuperimin e materialeve aktive nga elektrodat

Delaminimi i elektrodave i asistuar nga ultratingujt ofron një qasje të shpejtë, efikase dhe të qëndrueshme për rikuperimin e materialeve aktive dhe të fletës metalike. Këto pjesë të elektrodës janë materiale të vlefshme, të cilat mund të ripërdoren për prodhimin e baterive të reja. Delaminimi me ultratinguj jo vetëm që është dukshëm më efikas në përdorimin e energjisë sesa proceset hidrometalurgjike dhe pirometalurgjike të riciklimit, por siguron edhe materiale me pastërti më të lartë.

Riciklimi i baterive: Ndarja dhe delaminimi i elektrodave

Riciklimi i baterive me jone litiumi (LIB) synon rikuperimin e materialeve të vlefshme. Elektrodat përmbajnë materiale të çmuara dhe të rralla si litiumi, nikeli, mangani, kobalti etj., të cilat mund të rikuperohen me efikasitet duke përdorur një proces të vazhdueshëm delaminimi me ultratinguj. Procesorët me ultratinguj të pajisur me një sondë (sonotrodë) mund të krijojnë amplituda të larta. Amplituda transmeton valët e ultratingujve në mjedisin e lëngshëm (p.sh., banjë me tretës), ku, për shkak të cikleve të alternuara me presion të lartë / presion të ulët, formohen flluska shumë të vogla vakumi. Këto flluska vakumi rriten gjatë disa cikleve, derisa arrijnë një madhësi në të cilën nuk mund të përthithin më energji. Në këtë pikë, flluskat shemben vrullshëm drejt brendësisë. Shembja e flluskave krijon lokalisht një mjedis me dendësi shumë të lartë energjie, me rryma lëngu me shpejtësi deri në 280m/s, turbulenca të forta, temperatura shumë të larta (afërsisht 5 000K), presione (afërsisht 2 000atm) dhe, rrjedhimisht, diferenca temperature dhe presioni.
Ky fenomen i shembjes së flluskave drejt brendësisë, i shkaktuar nga ultratingujt, njihet si kavitacion akustik. Efektet e kavitacionit akustik largojnë filmin kompozit të materialit aktiv nga kolektori i rrymës prej flete metalike, i cili është i veshur në të dyja anët me filmin kompozit. Materiali aktiv përmban kryesisht një përzierje pluhurash të oksidit të litiumit dhe manganit (LMO) dhe të oksidit të litiumit, nikelit, manganit dhe kobaltit (LiNiMnCoO2 ose NMC), si dhe të zezë karboni si aditiv përçues.
Mekanizmi i delaminimit me ultratinguj bazohet në forca fizike që janë në gjendje të këputin lidhjet molekulare. Për shkak të intensitetit të ultratingujve me fuqi të lartë, shpesh mjaftojnë tretës më të butë për të larguar shtresat e materialit aktiv nga fleta metalike ose kolektori i rrymës. Kështu, delaminimi i elektrodës me ultratinguj është më i shpejtë, më miqësor ndaj mjedisit dhe me konsum dukshëm më të ulët energjie.

Imazhe nga mikroskopia elektronike me skanim (SEM) që tregojnë ndryshimet morfologjike të materialit aktiv të elektrodës gjatë delaminimit me ultratinguj. Të gjitha imazhet janë marrë me zmadhim 5000x dhe energji ngacmimi 10 kV. a) materiali i katodës para delaminimit, b) materiali aktiv i delaminuar i katodës, c) materiali i anodës para delaminimit dhe d) materiali i delaminuar i anodës.
(studimi dhe imazhet: Lei et al., 2021)

Copëtimi i baterive kundrejt ndarjes së elektrodave

Për rikuperimin e materialit aktiv përdoren tretës ujorë ose organikë për të tretur fletën metalike, lidhësin polimerik dhe/ose materialin aktiv. Projektimi dhe rrjedha e procesit ndikojnë ndjeshëm në rezultatin përfundimtar të rikuperimit të materialeve. Procesi tradicional i riciklimit të baterive përfshin copëtimin e moduleve të baterive. Megjithatë, pjesët e copëtuara janë të vështira për t’u ndarë në përbërës individualë. Nevojitet përpunim kompleks për të përftuar material aktiv/të vlefshëm nga masa e copëtuar. Për të ripërdorur materialet aktive të rikuperuara, kërkohet një shkallë e caktuar pastërtie. Rikuperimi i materialeve me pastërti të lartë nga masa e baterive të copëtuara përfshin procese komplekse dhe tretës agresivë, prandaj është i kushtueshëm. Lixiviacioni me ultratinguj përdoret me sukses për të intensifikuar dhe përmirësuar rezultatet e rikuperimit të materialit aktiv nga bateritë me jone litiumi të copëtuara.
Si proces alternativ ndaj copëtimit tradicional, ndarja e elektrodave është dëshmuar si një proces efikas riciklimi të baterive, i cili mund të përmirësojë ndjeshëm pastërtinë e materialeve të përftuara. Për procesin e ndarjes së elektrodave, bateria çmontohet në përbërësit e saj kryesorë. Meqë elektrodat përmbajnë pjesën më të madhe të materialit të vlefshëm, elektroda ndahet dhe trajtohet kimikisht për të tretur materialet aktive (litium, nikel, mangan, kobalt …) nga fleta e veshur ose kolektori i rrymës. Trajtimi me ultratinguj njihet mirë për efektet e tij intensive të shkaktuara nga kavitacioni akustik. Forcat sonomekanike ushtrojnë lëkundje dhe forca prerëse të mjaftueshme për të larguar materialet aktive, të cilat janë vendosur në shtresa mbi fletë. (Struktura e një flete të veshur është e ngjashme me atë të një sanduiçi, me fletën në qendër dhe shtresën e materialit aktiv që formon sipërfaqen e jashtme.)
Ndarja e elektrodave do të ishte një alternativë më e zbatueshme se copëtimi kur përdoret së bashku me çmontimin autonom, duke mundësuar rrjedha mbetjesh më të pastra dhe ruajtje më të madhe të vlerës në furnizim

Sonotroda ultrasonike për delaminimin e elektrodave

Sonotroda të posaçme që japin amplitudën e nevojshme për të larguar materialet aktive nga fleta e elektrodës janë lehtësisht të disponueshme. Meqë intensiteti i kavitacionit akustik zvogëlohet me rritjen e largësisë ndërmjet sonotrodës dhe elektrodës, është e favorshme të ruhet vazhdimisht një largësi e njëtrajtshme ndërmjet tyre. Kjo do të thotë se fleta e elektrodës duhet të lëvizet pranë majës së sonotrodës, poshtë saj, ku valët e presionit janë të forta dhe dendësia e kavitacionit është e lartë. Me sonotroda të posaçme që ofrojnë gjerësi më të madhe se sonda standarde cilindrike ultrasonike, Hielscher Ultrasonics ofron një zgjidhje efikase për delaminimin e njëtrajtshëm të fletëve të elektrodave nga automjetet elektrike. Për shembull, elektrodat e përdorura në bateritë me qeliza në formë qeseje të automjeteve elektrike (EV) zakonisht kanë një gjerësi prej afërsisht 20 cm. Një sonotrodë me të njëjtën gjerësi e transmeton kavitacionin akustik në mënyrë të njëtrajtshme në të gjithë sipërfaqen e elektrodës. Kështu, brenda pak sekondash, shtresat e materialit aktiv çlirohen në tretës dhe mund të nxirren e të pastrohen për të përftuar pluhur. Ky pluhur mund të ripërdoret për prodhimin e baterive të reja.
Ekipi kërkimor i Faraday Institution në Mbretërinë e Bashkuar raporton se largimi i shtresave të materialit aktiv nga elektroda e një baterie me jone litiumi (LIB) mund të përfundojë në më pak se 10 s kur elektroda ndodhet drejtpërdrejt nën një sonotrodë me fuqi të lartë (1000 deri në 2000 W, p.sh. UIP1000hdT ose UIP2000hdT). Gjatë trajtimit me ultratinguj, lidhjet ngjitëse ndërmjet materialeve aktive dhe kolektorëve të rrymës prishen, në mënyrë që në një hap pasues pastrimi të mund të rikuperohen një kolektor rryme i paprekur dhe materiali aktiv në formë pluhuri.

Pamje që tregojnë efektin e ultratingujve në anën e pasme të: a) fletës së anodës së një baterie me jone litiumi dhe b) fletës së katodës së një baterie me jone litiumi. Anoda u delaminua në një tretësirë të acidit citrik 0,05 M; katoda u delaminua në një tretësirë NaOH 0,1 M. Sonotroda kishte diametër 20 mm, me një intensitet fuqie prej 120 W/cm2 të zbatuar për 3 sekonda, në një largësi prej 2,5 mm nga sonotroda. Përmasat e mostrës ishin 3 cm x 3 cm.
(studimi dhe fotografitë: Lei et al., 2021)

Pajisje ultrasonike për delaminimin e elektrodave

Hielscher Ultrasonics projekton, prodhon dhe shpërndan procesorë ultrasonikë me performancë të lartë, të cilët punojnë në intervalin 20kHz. Pajisjet ultrasonike industriale të Hielscher Ultrasonics janë procesorë me ultratinguj me fuqi të lartë, të cilët mund të japin amplituda shumë të larta për aplikime kërkuese. Amplituda deri në 200µm mund të mbahen lehtësisht në mënyrë të vazhdueshme gjatë funksionimit 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotroda ultrasonike të përshtatura sipas kërkesës. Për procesin e vazhdueshëm të delaminimit të elektrodave, Hielscher ofron një gamë sonotrodash standarde dhe të përshtatura sipas kërkesës. Përmasat e sonotrodës mund të përshtaten me përmasat dhe gjerësinë e materialit të elektrodës, duke synuar kështu kushte optimale të procesit për kapacitet të lartë përpunimi dhe rikuperim të nivelit më të lartë.

Literatura / Referencat

• 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.