Reciklaža elektroda – Visoko efikasan sa ultrazvučnom delaminacijom

Ultrazvučna delaminacija elektroda omogućava oporavak aktivnih materijala kao što su litijum, nikl, mangan, kobalt itd. u roku od nekoliko sekundi. Time ultrazvučna elektrodna delaminacija čini oporavak materijala koji se mogu ponovo koristiti iz baterija bržim, zelenim i znatno manje energetski intenzivnim. Istraživanja su već dokazala da ultrazvučna delaminacija može biti 100 puta brža od konvencionalnih tehnika reciklaže.

Power Ultrazvuk poboljšava oporavak aktivnih materijala od elektroda

Ultrasonično asiminacija elektroda nudi brz, efikasan i održiv pristup oporavku aktivnih materijala i folije. Ovi delovi elektrode su dragoceni materijali, koji se mogu ponovo koristiti za proizvodnju novih baterija. Ultrazvučna delaminacija ne samo da je značajno energetski efikasnija od hidrometallurgičnih i pirometalurških procesa reciklaže, već daje i materijale veće čistoće.

Reciklaža baterije: Odvajanje elektroda i delaminacija

Reciklaža litijum jonske baterije (LIB) ima za cilj povraćaj vrednih materijala. Elektrode sadrže dragocene i retke materijale kao što su litijum, nikl, mangan, kobalt i sl., koji se mogu efikasno oporaviti pomoću neprekidnog procesa ultrazvučne delaminacije. Ultrazvučni procesori opremljeni sondom (sonotrode) mogu da stvore intenzivne amplitude. Amplitude prenosi ultrazvučne talase u tečni medijum (npr. kupka rastvarača), gde se usled naizmeničnog visokog pritiska / ciklusa niskog pritiska pojavljuju minuti vakuumskih mehurića. Ovi vakuumski mehurići rastu tokom nekoliko ciklusa, dok ne dostignu veličinu u kojoj ne mogu da apsorbuju dalju energiju. U ovom trenutku, mehurići se nasilno implode. Implozija mehurića generiše lokalno visoko energetski gusto okruženje sa tečnim mlazovima brzine do 280m/s brzinom, intenzivnim turbulencijama, veoma visokim temperaturama (oko 5.000K), pritiscima (oko 2.000atm) i shodno tome temperaturom i razlikovanje pritiska.
Ovaj fenomen ultrazvučno izazvane implozije mehurića je poznata akustična kavitacija. Efekti akustične kavitacije uklanjaju kompozitni film aktivnog materijala iz folije aktuelnog kolektora, koji je sa obe strane obložen kompozitnim filmom. aktivni materijal sadrži uglavnom mešavinu litijum mangan oksida (LMO) i litijum nikla mangana kobalta oksida (LiNiMnCoO2 ili NMC) u prahu kao i ugljenično crne kao provodni aditiv.
Mehanizam ultrazvučne delaminacije zasnovan je na fizičkim silama, koje su sposobne da prekinu molekularne veze. Zbog intenziteta power-ultrazvuka često su blaži rastvarači dovoljni da uklone slojeve aktivnog materijala iz folije ili trenutnog kolektora. Atle je ultrazvučna delaminacija elektroda brža, ekološka i znatno manje energetski intenzivna.

Skeniranje slika elektronske mikroskopije (SEM) koje prikazuju morfološke promene aktivnog materijala elektrode nakon ultrazvučne delaminacije. Sve slike su snimljene na 5000x uvećanju i energiji za ekscitaciju od 10 kV. a) katodni materijal pre delaminacije, b) delaminirani katodni aktivni materijal, c) anodni materijal pre delaminacije i d) delaminirani anodni materijal.
(study and pictures: Lei et al., 2021)

Seckanje baterije protiv razdvajanja elektroda

Za oporavak aktivnog materijala koriste se ili aqueous ili organski rastvarači za rastvaranje metalne folije, polimernog poveza i/ili aktivnog materijala. Projektovanje i tok procesa značajno utiču na konačan ishod oporavka materijala. Tradicionalni proces reciklaže baterije podrazumeva seckanje modula baterije. Međutim, iseckane komponente je teško razdvojiti u pojedinačne komponente. Potrebna je složena obrada kako bi se od iseckane mase dobio aktivan/vredan materijal. Da bi se ponovo koriste spaseni aktivni materijali, potreban je određeni stepen čistoće. Preuzimanje visoko čistih materijala iz iseckane mase baterije podrazumeva složene procese, surove rastvarače i samim tim je skupo. Ultrazvučno lizanje se uspešno koristi za intenziviranje i poboljšanje rezultata aktivnog oporavka materijala od iseckanih litijum jonskih baterija.
Kao alternativni proces tradicionalnog seckanja, razdvajanje elektroda je prikazano kao efikasnosti procesa reciklaže baterija koji može značajno da poboljša čistoću dobijenih materijala. Za proces razdvajanja elektroda, baterija se rastava u svoje glavne komponente. Pošto elektrode sadrže najveći udeo vrednog materijala, elektroda se odvaja i tretira hemijski kako bi se aktivni materijali rastvorili (litijum, nikl, mangan, kobalt ...) od premazane folije ili trenutnog kolektora. Ultrazvučnost je dobro poznata po intenzivnim efektima izazvanim akustičnom kavitacijom. Sonomehaničke snage primenjuju dovoljno oscilacija i čaršije da uklone aktivne materijale, koji su slojevito na foliju. (Struktura premazane folije je slična sendviču, foliji u centru i aktivnom materijalnom sloju ugrađena je površina.)
odvajanje elektroda bi bilo održivija opcija od seckanja, kada se koristi zajedno sa autonomnim rastavinjem, omogućavajući čistije tokove otpada i zadržavanje veće vrednosti u snabdevanju

Ultrazvučni sonotrodi za elektrodnu delaminaciju

Specijalni sonotrodi koji isporučuju potrebnu amplitude za uklanjanje aktivnih materijala iz elektrodne folije su dostupni. Kako se intenzitet akustične kavitacije smanjuje sa sve većim rastojanjem između sonotroda i elektroda, povoljno je neprekidno ujednačeno rastojanje između sonotroda i elektroda. To znači da elektrodni list treba da se pomera izbliza ispod sonotrodnog vrha, gde su talasi pritiska jaki, a gustina kavitacije velika. Uz specijalne sonotrode koji nude širu širinu od standardne cilindrične ultrazvučne sonde, Hielscher Ultrasonics nudi efikasno rešenje za ujednačenu delaminaciju elektrodnih listova iz električnih vozila. Na primer, elektrode koje se koriste u baterijama električnog vozila (EV) ćelija obično imaju širinu od oko 20 cm. Sonotrod iste širine ravnomerno prenosi akustičnu kavitaciju na celoj površini elektrode. Tako se u roku od nekoliko sekundi slojevi aktivnog materijala oslobađaju u rastvarač i mogu se izdvojiti i pročistiti u prahu. Ovaj puder se može ponovo koristiti za proizvodnju novih baterija.
Istraživački tim U.K.-ove Faradej institucije izveštava da se uklanjanje aktivnih materijalnih slojeva iz LIB elektrode može završiti za manje od 10 s kada se elektroda nalazi direktno ispod sonotroda visoke snage (1000 do 2000 W, npr. УИП1000хдТ или УИП2000хдТ). Tokom ultrazvučnog tretmana, adhezivne veze između aktivnih materijala i aktuelnih kolekcionara su prekinute tako da se u narednom koraku pročišćavanja može povratiti netaknuti trenutni kolekcionar i aktivni materijal u prahu.

Slike koje prikazuju efekat ultrazvuka na zadnjoj strani: a) litijum jonski list anode, i b) litijum jonski list katodne baterije. Anoda je delaminirana u rastvoru od 0,05 M citrične kiseline; katoda je odložena u rastvoru od 0,1 M NaOH. Sonotrode je bio prečnika 20 mm, sa primenjenim intenzitetom snage od 120 W/cm2 na 3 sekunde, pri 2,5 mm udaljenosti od sonotroda. Veličina uzorka je bila 3 cm x 3 cm.
(study and pictures: Lei et al., 2021)

Ultrazvučni za elektrodnu delaminaciju

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučne procesore visokih performansi, koji rade u opsegu od 20kHz. Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori su ultrazvučni procesori velike snage koji mogu da isporuče veoma visoke amplitude za zahtevne aplikacije. Amplitude do 200μm se mogu lako neprekidno pokrenuti u 24/7 operaciji. Za još veće amplitude dostupni su prilagođeni ultrazvučni sonotrodi. Za proces neprekidne delaminacije elektroda, Hielscher nudi niz standardnih, kao i prilagođenih sonotroda. Veličina sonotroda se može prilagoditi veličini i širini elektrodnog materijala, čime se ciljaju optimalni uslovi procesa za visoku protok i superiorni oporavak.

Literatura/reference