Рециклажа електрода – висока ефикасност уз ултразвучну деламинацију

Ултразвучна деламинација електрода омогућава издвајање активних материјала као што су литијум, никл, манган, кобалт итд. у року од неколико секунди. Тиме ултразвучна деламинација електрода чини издвајање материјала за поновну употребу из батерија бржим, еколошки прихватљивим и знатно мање енергетски захтевним. Истраживања су већ доказала да ултразвучна деламинација може бити 100 пута бржа од конвенционалних техника рециклаже.

Ултразвук велике снаге побољшава издвајање активних материјала из електрода

Деламинација електрода потпомогнута ултразвуком нуди брз, ефикасан и одржив приступ издвајању активних материјала и фолије. Ови делови електроде представљају вредне материјале који се могу поново употребити за производњу нових батерија. Ултразвучна деламинација не само да је знатно енергетски ефикаснија од хидрометалуршких и пирометалуршких процеса рециклаже већ даје и материјале веће чистоће.

Рециклажа батерија: раздвајање и деламинација електрода

Рециклажа литијум-јонских батерија (LIB) има за циљ издвајање вредних материјала. Електроде садрже драгоцене и ретке материјале као што су литијум, никл, манган, кобалт итд., који се могу ефикасно издвојити континуираним процесом ултразвучне деламинације. Ултразвучни процесори опремљени сондом (сонотродом) могу остварити велике амплитуде. Амплитуда преноси ултразвучне таласе у течну средину (нпр. купку са растварачем), где услед наизменичних циклуса високог и ниског притиска настају сићушни вакуумски мехурићи. Ови вакуумски мехурићи расту током неколико циклуса док не достигну величину при којој више не могу да апсорбују енергију. У том тренутку мехурићи силовито имплодирају. Имплозија мехурића локално ствара средину веома високе густине енергије, са млазевима течности брзине до 280m/s, интензивним турбуленцијама, веома високим температурама (приближно 5.000K), притисцима (приближно 2.000atm) и одговарајућим разликама у температури и притиску.
Ова појава имплозије мехурића изазване ултразвуком позната је као акустична кавитација. Ефекти акустичне кавитације уклањају композитни слој активног материјала са струјног колектора у облику фолије, који је са обе стране обложен композитним слојем. Активни материјал углавном садржи мешавину прахова литијум-манган-оксида (LMO) и литијум-никл-манган-кобалт-оксида (LiNiMnCoO2 или NMC), као и чађ као проводни адитив.
Механизам ултразвучне деламинације заснива се на физичким силама које могу да раскину молекулске везе. Захваљујући интензитету ултразвука велике снаге, често су довољни блажи растварачи за уклањање слојева активног материјала са фолије или струјног колектора. Тиме је ултразвучна деламинација електроде бржа, еколошки прихватљива и знатно мање енергетски захтевна.

Снимци скенирајуће електронске микроскопије (SEM) који приказују морфолошке промене активног материјала електроде при ултразвучној деламинацији. Сви снимци су направљени при увећању од 5000x и енергији побуде од 10 kV. a) катодни материјал пре деламинације, b) деламинирани активни материјал катоде, c) анодни материјал пре деламинације и d) деламинирани анодни материјал.
(истраживање и слике: Lei et al., 2021)

Уситњавање батерија у поређењу са раздвајањем електрода

За издвајање активног материјала користе се водени или органски растварачи за растварање металне фолије, полимерног везива и/или активног материјала. Пројектовање и ток процеса значајно утичу на коначни исход издвајања материјала. Традиционални процес рециклаже батерија обухвата уситњавање батеријских модула. Међутим, уситњене компоненте је тешко раздвојити на појединачне компоненте. За добијање активног/вредног материјала из уситњене масе потребна је сложена обрада. Да би се издвојени активни материјали поново употребили, потребан је одређени степен чистоће. Добијање материјала високе чистоће из уситњене батеријске масе подразумева сложене процесе и агресивне раствараче и стога је скупо. Ултразвучно лужење се успешно користи за интензивирање и побољшање резултата издвајања активног материјала из уситњених литијум-јонских батерија.
Као алтернатива традиционалном уситњавању, раздвајање електрода се показало као делотворан процес рециклаже батерија који може значајно да побољша чистоћу добијених материјала. За процес раздвајања електрода, батерија се раставља на главне компоненте. Пошто електроде садрже највећи удео вредног материјала, електрода се издваја и хемијски обрађује како би се активни материјали (литијум, никл, манган, кобалт …) растворили са обложене фолије или струјног колектора. Ултразвучна обрада је добро позната по својим интензивним ефектима изазваним акустичном кавитацијом. Сономеханичке силе изазивају довољне осцилације и смицање да уклоне активне материјале нанесене у слојевима на фолију. (Структура обложене фолије је слична сендвичу: фолија је у средини, а слој активног материјала чини спољашњу површину.)
Раздвајање електрода би било одрживија опција од уситњавања када се користи у комбинацији са аутономним растављањем, чиме би се омогућили чистији токови отпада и веће задржавање вредности у снабдевању

Ултразвучне сонотроде за деламинацију електрода

Лако су доступне специјалне сонотроде које обезбеђују амплитуду потребну за уклањање активних материјала са фолије електроде. Пошто се интензитет акустичне кавитације смањује са повећањем растојања између сонотроде и електроде, пожељно је да растојање између сонотроде и електроде буде непрекидно уједначено. То значи да лист електроде треба померати непосредно испод врха сонотроде, где су таласи притиска јаки, а густина кавитације висока. Са специјалним сонотродама које су шире од стандардне цилиндричне ултразвучне сонде, Hielscher Ultrasonics нуди ефикасно решење за уједначену деламинацију листова електрода из електричних возила. На пример, електроде које се користе у батеријама електричних возила (EV) са ћелијама у врећастом кућишту обично су широке приближно 20 cm. Сонотрода исте ширине равномерно преноси акустичну кавитацију по целој површини електроде. На тај начин, слојеви активног материјала се у року од неколико секунди ослобађају у растварач и могу се издвојити и пречистити у прах. Овај прах се може поново употребити за производњу нових батерија.
Истраживачки тим британског института Faraday Institution извештава да уклањање слојева активног материјала са електроде литијум-јонске батерије (LIB) може да се заврши за мање од 10 s када се електрода налази непосредно испод сонотроде велике снаге (1000 до 2000 W, нпр. UIP1000hdT или UIP2000hdT). Током ултразвучне обраде раскидају се адхезивне везе између активних материјала и струјних колектора, тако да се у наредном кораку пречишћавања могу издвојити неоштећен струјни колектор и активни материјал у праху.

Слике које приказују дејство ултразвука на полеђини: а) анодног листа литијум-јонске батерије и б) катодног листа литијум-јонске батерије. Анода је деламинирана у раствору лимунске киселине концентрације 0,05 M; катода је деламинирана у раствору NaOH концентрације 0,1 M. Пречник сонотроде био је 20 mm, а интензитет снаге од 120 W/cm2 примењиван је током 3 секунде, на растојању од 2,5 mm од сонотроде. Величина узорка била је 3 cm x 3 cm.
(студија и слике: Lei et al., 2021)

Ултразвучни уређаји за деламинацију електрода

Hielscher Ultrasonics пројектује, производи и дистрибуира ултразвучне процесоре високих перформанси који раде у опсегу од 20kHz. Индустријски ултразвучни уређаји компаније Hielscher Ultrasonics су ултразвучни процесори велике снаге који могу да остваре веома високе амплитуде за захтевне примене. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно у режиму рада 24/7. За још више амплитуде доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде. За континуирани процес деламинације електрода, Hielscher нуди низ стандардних и прилагођених сонотрода. Величина сонотроде може се прилагодити величини и ширини материјала електроде, чиме се постижу оптимални процесни услови за велики капацитет обраде и изузетно висок степен издвајања материјала.

Литература / Референце

• 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.