Riciklimi i elektrodave – Shumë efikas me shtrembërim tejzanor

Shpërthimi tejzanor i elektrodave mundëson rikuperimin e materialeve aktive si litiumi, nikeli, mangani, kobalti etj. brenda sekondave. Kështu, ndarja e elektrodës tejzanor e bën rikuperimin e materialeve të ripërdorshme nga bateritë më të shpejtë, të gjelbër dhe dukshëm më pak me energji intensive. Hulumtimet kanë vërtetuar tashmë se delaminimi me ultratinguj mund të jetë 100 herë më i shpejtë se teknikat konvencionale të riciklimit.

Ultratingulli i fuqisë përmirëson rikuperimin e materialeve aktive nga elektrodat

Shpërthimi i elektrodave me ndihmën tejzanor ofron një qasje të shpejtë, efikase dhe të qëndrueshme për rikuperimin e materialeve aktive dhe fletës. Këto pjesë të elektrodës janë materiale të vlefshme, të cilat mund të ripërdoren për prodhimin e baterive të reja. Shpërthimi tejzanor jo vetëm që është dukshëm më efikas në energji sesa proceset e riciklimit hidrometalurgjik dhe pirometalurgjik, ato gjithashtu japin materiale me pastërti më të lartë.

Riciklimi i baterive: Ndarja dhe shtrembërimi i elektrodave

Riciklimi i baterisë me jon litium (LIB) synon të rikuperojë materiale të vlefshme. Elektrodat përmbajnë materiale të çmuara dhe të rralla si litium, nikel, mangan, kobalt etj., të cilat mund të rikuperohen në mënyrë efikase duke përdorur një proces të vazhdueshëm delamination tejzanor. Procesorët tejzanor të pajisur me një sondë (sonotrode) mund të krijojnë amplituda intensive. Amplituda transmeton valë ultratinguj në mjedisin e lëngshëm (p.sh., banjë tretës), ku për shkak të cikleve të alternuara të presionit të lartë / presionit të ulët lindin flluska të vogla vakumi. Këto flluska vakumi rriten gjatë disa cikleve, derisa të arrijnë një madhësi në të cilën nuk mund të thithin më shumë energji. Në këtë pikë, flluskat shpërthejnë me dhunë. Shpërthimi i flluskës gjeneron lokalisht një mjedis shumë të dendur me energji me avionë të lëngshëm me shpejtësi deri në 280 m/s, turbulenca të forta, temperatura shumë të larta (rreth 5,000 K), presione (afërsisht 2,000 atm) dhe në përputhje me rrethanat diferenca të temperaturës dhe presionit.
Ky fenomen i shpërthimit të flluskave të shkaktuara në mënyrë ultrasonike njihet si kavitacioni akustik. Efektet e kavitacionit akustik heqin filmin e përbërë të materialit aktiv nga kolektori i rrymës së fletës, i cili është i veshur në të dy anët me filmin e përbërë. materiali aktiv përmban kryesisht një përzierje të oksidit të litium manganit (LMO) dhe oksidit të litium-nikel manganit të kobaltit (LiNiMnCoO2 ose NMC) pluhur, si dhe karbon të zi si shtesë përçuese.
Mekanizmi i delaminimit tejzanor bazohet në forcat fizike, të cilat janë të afta të thyejnë lidhjet molekulare. Për shkak të intensitetit të ultrazërit të fuqishëm, shpesh tretës më të butë janë të mjaftueshëm për të hequr shtresat e materialit aktiv nga petë ose kolektori aktual. Kështu, ndarja tejzanor e elektrodës është më e shpejtë, miqësore me mjedisin dhe dukshëm më pak energji intensive.

Imazhet me mikroskop elektronik skanues (SEM) që tregojnë ndryshimet morfologjike në materialin aktiv të elektrodës pas delaminimit tejzanor. Të gjitha imazhet janë marrë me një zmadhim 5000x dhe energji ngacmimi 10 kV. a) parashtjellimi i materialit katodë, b) materiali aktiv i katodës së delaminuar, c) parashtjellimi i materialit anodë dhe d) materiali i anodës i delaminuar.
(studim dhe fotografi: Lei et al., 2021)

Thyerja e baterisë kundrejt ndarjes së elektrodave

Për rikuperimin e materialit aktiv përdoren tretës ujorë ose organikë për të tretur fletën metalike, lidhësin polimer dhe/ose materialin aktiv. Dizajni i procesit dhe rrjedha ndikojnë ndjeshëm në rezultatin përfundimtar të rikuperimit të materialit. Procesi tradicional i riciklimit të baterive përfshin copëtimin e moduleve të baterisë. Megjithatë, komponentët e copëtuar janë të vështira për t'u ndarë në komponentë individualë. Kërkon përpunim kompleks për të përftuar material aktiv/të vlefshëm nga masa e grirë. Për të ripërdorur materialet aktive të rikuperuara, kërkohet një shkallë e caktuar pastërtie. Marrja e materialeve shumë të pastra nga pjesa më e madhe e baterive të copëtuara përfshin procese komplekse, tretës të ashpër dhe për këtë arsye është e shtrenjtë. Shpëlarja me ultratinguj përdoret me sukses për të intensifikuar dhe përmirësuar rezultatet e rikuperimit të materialit aktiv nga bateritë e copëtuara të joneve të litiumit.
Si një proces alternativ ndaj copëtimit tradicional, ndarja e elektrodave është treguar si proces efikas i riciklimit të baterive që mund të përmirësojë ndjeshëm pastërtinë e materialeve të marra. Për procesin e ndarjes së elektrodës, bateria çmontohet në komponentët e saj kryesorë. Meqenëse 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 folia e veshur ose kolektori aktual. Ultratingulli është i njohur për efektet e tij intensive të shkaktuara nga kavitacioni akustik. Forcat sonomekanike aplikojnë lëkundje dhe prerje të mjaftueshme për të hequr materialet aktive, të cilat janë shtresuar në fletë metalike. (Struktura e një petë të veshur është e ngjashme me një sanduiç, petë në qendër dhe shtresa e materialit aktiv ka ndërtuar sipërfaqen e jashtme.)
ndarja e elektrodave do të bënte një opsion më të zbatueshëm sesa copëtimi, kur përdoret në lidhje me çmontimin autonom, duke lejuar rrjedha më të pastra të mbetjeve dhe mbajtje më të madhe të vlerës në furnizim.

Sonotrodes tejzanor për Delaminimin e Elektrodave

Sonotroda speciale që ofrojnë amplituda e nevojshme për të hequr materialet aktive nga fleta e elektrodës janë lehtësisht të disponueshme. Ndërsa intensiteti i kavitacionit akustik zvogëlohet me rritjen e distancës midis sonotrodës dhe elektrodës, një distancë e vazhdueshme uniforme midis sonotrodës dhe elektrodës është e favorshme. Kjo do të thotë, fleta e elektrodës duhet të zhvendoset nga afër nën majën e sonotrodës, ku valët e presionit janë të forta dhe dendësia e kavitacionit është e lartë. Me sonotrode speciale që ofrojnë një gjerësi më të gjerë se sonda standarde cilindrike ultrasonike, Hielscher Ultrasonics ofron një zgjidhje efikase për shtrembërimin uniform të fletëve të elektrodës nga automjetet elektrike. Për shembull, elektrodat e përdorura në bateritë e automjeteve elektrike me qese (EV) kanë zakonisht një gjerësi prej përafërsisht. 20 cm. Një sonotrode me të njëjtën gjerësi transmeton kavitacionin akustik në mënyrë uniforme në të gjithë sipërfaqen e elektrodës. Në këtë mënyrë, brenda pak sekondash shtresat e materialit aktiv lëshohen në tretës dhe mund të nxirren dhe pastrohen në pluhur. Ky pluhur mund të ripërdoret për prodhimin e baterive të reja.
Ekipi hulumtues i Institutit Faraday në Mbretërinë e Bashkuar raporton se heqja e shtresave të materialit aktiv nga elektroda LIB mund të përfundojë në më pak se 10 s kur elektroda ndodhet direkt nën një sonotrode me fuqi të lartë (1000 deri në 2000 W, p.sh. UIP1000hdT ose UIP2000hdT). Gjatë trajtimit me ultratinguj, lidhjet ngjitëse midis materialeve aktive dhe kolektorëve të rrymës prishen në mënyrë që në një hap pasues të pastrimit të mund të rikuperohet një kolektor i rrymës së paprekur dhe një material aktiv pluhur.

Imazhet që tregojnë efektin e ultrazërit në anën e pasme të: a) fletës së anodës së baterisë me jon litium dhe b) fletës katodë të baterisë me jon litium. Anoda u delaminua në një tretësirë prej 0,05 M acid citrik; katoda u delaminua në një tretësirë prej 0,1 M NaOH. Sonotrode ishte 20 mm në diametër, me intensitet të fuqisë 120 W/cm2 aplikuar për 3 sekonda, në 2.5 mm larg nga sonotrode. Madhësia e kampionit ishte 3 cm x 3 cm.
(studim dhe fotografi: Lei et al., 2021)

Ultrasonikë për shtrembërimin e elektrodës

Hielscher Ultrasonics projekton, prodhon dhe shpërndan procesorë ultrasonikë me performancë të lartë, të cilët punojnë në intervalin 20 kHz. Hielscher Ultrasonikë’ Ultrasonikët industrialë janë procesorë ultratinguj me fuqi të lartë të cilët mund të ofrojnë amplituda shumë të larta për aplikacione kërkuese. Amplituda deri në 200µm mund të ekzekutohen lehtësisht vazhdimisht në funksionim 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotrode tejzanor të personalizuara. Për procesin e delaminimit të vazhdueshëm të elektrodave, Hielscher ofron një sërë sonotrode standarde si dhe të personalizuara. Madhësia sonotrode mund të përshtatet me madhësinë dhe gjerësinë e materialit të elektrodës, duke synuar kështu kushtet optimale të procesit për xhiro të lartë dhe rikuperim superior.

Literatura / Referencat