Рециклирање електрода – Високо ефикасан са ултразвучним раздвајањем

Ултразвучно раслојавање електрода омогућава поврат активних материјала као што су литијум, никл, манган, кобалт итд. у року од неколико секунди. На тај начин, ултразвучно раздвајање електрода чини опоравак материјала за вишекратну употребу из батерија бржим, зеленим и знатно мање енергетски интензивним. Истраживања су већ доказала да ултразвучна деламинација може бити 100 пута бржа од конвенционалних техника рециклирања.

Повер Ултрасоунд побољшава опоравак активних материјала из електрода

Ултразвучно раслојавање електрода нуди брз, ефикасан и одржив приступ обнављању активних материјала и фолије. Ови делови електроде су вредни материјали, који се могу поново користити за производњу нових батерија. Ултразвучно раслојавање није само значајно енергетски ефикасније од хидрометалуршких и пирометалуршких процеса рециклаже, већ даје и материјале веће чистоће.

Рециклирање батерија: одвајање и одвајање електрода

Рециклирање литијум-јонских батерија (ЛИБ) има за циљ да поврати вредне материјале. Електроде садрже драгоцене и ретке материјале као што су литијум, никл, манган, кобалт итд., који се могу ефикасно повратити коришћењем континуираног процеса ултразвучног деламинације. Ултразвучни процесори опремљени сондом (сонотродом) могу створити интензивне амплитуде. Амплитуда преноси ултразвучне таласе у течни медијум (нпр. купатило са растварачем), где услед наизменичних циклуса високог/ниског притиска настају ситни вакуумски мехурићи. Ови вакуумски мехурићи расту током неколико циклуса, док не достигну величину при којој не могу да апсорбују даљу енергију. У овом тренутку, мехурићи нагло имплодирају. Имплозија мехурића локално ствара окружење са високом густином енергије са млазовима течности брзине до 280 м/с, интензивним турбуленцијама, веома високим температурама (приближно 5.000 К), притисцима (приближно 2.000 атм) и сходно томе разликама температуре и притиска.
Овај феномен ултразвучно индуковане имплозије мехурића је позната акустична кавитација. Ефекти акустичне кавитације уклањају композитни филм активног материјала са фолијског струјног колектора, који је са обе стране обложен композитним филмом. активни материјал садржи углавном мешавину литијум-манган-оксида (ЛМО) и литијум-никл-манган-кобалт оксида (ЛиНиМнЦоО2 или НМЦ) у праху, као и чађу као проводљиви адитив.
Механизам ултразвучног раслојавања заснива се на физичким силама, које су способне да разбију молекуларне везе. Због интензитета снаге ултразвука често су блажи растварачи довољни да уклоне слојеве активног материјала са фолије или струјног колектора. Због тога је ултразвучно одвајање електроде брже, еколошки прихватљиво и знатно мање енергетски интензивно.

Слике скенирајуће електронске микроскопије (СЕМ) које показују морфолошке промене активног материјала електроде након ултразвучног деламинације. Све слике су снимљене при увећању од 5000к и енергији побуде од 10 кВ. а) претходно раслојавање катодног материјала, б) слојевит активни материјал катоде, ц) претходно раслојавање материјала аноде и д) слојевит анодни материјал.
(студија и слике: Леи ет ал., 2021)

Сецкање батерије у односу на раздвајање електрода

За обнављање активног материјала користе се или водени или органски растварачи за растварање металне фолије, полимерног везива и/или активног материјала. Дизајн процеса и ток значајно утичу на коначни исход поврата материјала. Традиционални процес рециклирања батерија укључује уситњавање батеријских модула. Међутим, уситњене компоненте је тешко раздвојити на појединачне компоненте. Захтева сложену обраду како би се из уситњене масе добио активни/вредни материјал. Да би се поново користили обновљени активни материјали, потребан је одређени степен чистоће. Добијање високо чистих материјала из уситњених батерија укључује сложене процесе, јаке раствараче и стога је скупо. Ултразвучно лужење се успешно користи за интензивирање и побољшање резултата опоравка активног материјала из уситњених литијум-јонских батерија.
Као алтернативни процес традиционалном уситњавању, одвајање електрода се показало као ефикасан процес рециклирања батерија који може значајно побољшати чистоћу добијених материјала. За процес одвајања електрода, батерија се раставља на главне компоненте. Пошто електроде садрже највећи део вредног материјала, електрода се одваја и хемијски третира да би се растворили активни материјали (литијум, никл, манган, кобалт…) из обложене фолије или струјног колектора. Ултрасоницатион је добро познат по својим интензивним ефектима узрокованим акустичном кавитацијом. Сономеханичке силе примењују довољно осцилација и смицања да уклоне активне материјале, који се наносе на фолију. (Структура обложене фолије је слична сендвичу, фолија у средини и слој активног материјала саградили су спољну површину.)
одвајање електрода би представљало одрживију опцију од уситњавања, када се користи у комбинацији са аутономним растављањем, омогућавајући чистије токове отпада и веће задржавање вредности у снабдевању

Ултразвучне сонотроде за раздвајање електрода

Специјалне сонотроде које испоручују потребну амплитуду за уклањање активних материјала из фолије електроде су лако доступне. Како се интензитет акустичне кавитације смањује са повећањем удаљености између сонотроде и електроде, повољан је континуирано уједначено растојање између сонотроде и електроде. То значи да електродни лист треба да се помера уско испод врха сонотроде, где су таласи притиска јаки, а густина кавитације велика. Са специјалним сонотродама које нуде ширу ширину од стандардне цилиндричне ултразвучне сонде, Хиелсцхер Ултрасоницс нуди ефикасно решење за равномерно одвајање листова електрода са електричних возила. На пример, електроде које се користе у батеријама електричних возила (ЕВ) са ћелијама у торбици обично имају ширину од прибл. 20 цм. Сонотрода исте ширине равномерно преноси акустичну кавитацију на целој површини електроде. Тако се у року од неколико секунди слојеви активног материјала ослобађају у растварач и могу се екстраховати и пречистити у прах. Овај прах се може поново користити за производњу нових батерија.
Истраживачки тим британске Фарадаи Институтион извештава да се уклањање слојева активног материјала са ЛИБ електроде може завршити за мање од 10 с када се електрода налази директно испод сонотроде велике снаге (1000 до 2000 В, нпр. УИП1000хдТ или УИП2000хдТ). Током ултразвучног третмана, адхезивне везе између активних материјала и колектора струје се разбијају тако да се у наредном кораку пречишћавања могу повратити нетакнути колектор струје и активни материјал у праху.

Слике које показују ефекат ултразвука на полеђини: а) анодног листа литијум-јонске батерије и б) катодног листа литијум-јонске батерије. Анода је раслојена у раствору 0,05 М лимунске киселине; катода је раслојена у раствору 0,1 М НаОХ. Сонотрода је била пречника 20 мм, са интензитетом снаге 120 В/цм2 примењеним током 3 секунде, на удаљености од 2,5 мм од сонотроде. Величина узорка је била 3 цм к 3 цм.
(студија и слике: Леи ет ал., 2021)

Ултрасоникатори за раздвајање електрода

Хиелсцхер Ултрасоницс дизајнира, производи и дистрибуира ултразвучне процесоре високих перформанси, који раде у опсегу од 20 кХз. Хиелсцхер Ултрасоницс’ индустријски ултрасоникатори су ултразвучни процесори велике снаге који могу да испоруче веома велике амплитуде за захтевне примене. Амплитуде до 200 µм могу се лако радити у континуитету у раду 24/7. За још веће амплитуде, доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде. За континуирани процес деламинације електрода, Хиелсцхер нуди низ стандардних, као и прилагођених сонотрода. Величина сонотроде се може прилагодити величини и ширини материјала електроде, чиме се циљају на оптималне услове процеса за високу пропусност и врхунски опоравак.

Литература / Референце