Elektrodåtervinning – högeffektiv med ultraljudsdelaminering

Ultraljudsdelaminering av elektroder gör det möjligt att återvinna aktiva material som litium, nickel, mangan, kobolt osv. inom några sekunder. Därmed gör ultraljudsdelaminering av elektroder återvinningen av återanvändbara material från batterier snabbare, miljövänlig och betydligt mindre energikrävande. Forskning har redan visat att ultraljudsdelaminering kan vara 100 gånger snabbare än konventionella återvinningstekniker.

Effektultraljud förbättrar återvinningen av aktiva material från elektroder

Ultraljudsassisterad delaminering av elektroder erbjuder en snabb, effektiv och hållbar metod för att återvinna aktiva material och folien. Dessa delar av elektroden är värdefulla material som kan återanvändas för tillverkning av nya batterier. Ultraljudsdelaminering är inte bara betydligt mer energieffektiv än hydrometallurgiska och pyrometallurgiska återvinningsprocesser, utan ger även material med högre renhet.

Batteriåtervinning: elektrodseparering och delaminering

Återvinning av litiumjonbatterier (LIB) syftar till att återvinna värdefulla material. Elektroderna innehåller dyrbara och sällsynta material som litium, nickel, mangan, kobolt osv., vilka effektivt kan återvinnas med en kontinuerlig ultraljudsdelamineringsprocess. Ultraljudsprocessorer utrustade med en sond (sonotrod) kan generera höga amplituder. Amplituden överför ultraljudsvågor till det flytande mediet (t.ex. ett lösningsmedelsbad), där mycket små vakuumbubblor uppstår till följd av växlande högtrycks- och lågtryckscykler. Dessa vakuumbubblor växer under några cykler tills de når en storlek där de inte kan absorbera mer energi. Då imploderar bubblorna våldsamt. Bubbelimplosionen skapar lokalt en miljö med mycket hög energitäthet, med vätskestrålar med hastigheter på upp till 280m/s, intensiv turbulens, mycket höga temperaturer (cirka 5 000K), tryck (cirka 2 000atm) och motsvarande temperatur- och tryckskillnader.
Detta fenomen med ultraljudsinducerad bubbelimplosion kallas akustisk kavitation. Effekterna av akustisk kavitation avlägsnar kompositfilmen av aktivt material från strömkollektorfolien, som är belagd med kompositfilmen på båda sidor. Det aktiva materialet innehåller huvudsakligen en blandning av pulver av litiummanganoxid (LMO) och litiumnickelmangankoboltoxid (LiNiMnCoO2 eller NMC) samt kimrök som elektriskt ledande tillsats.
Mekanismen bakom ultraljudsdelaminering bygger på fysikaliska krafter som kan bryta molekylbindningar. Tack vare effektultraljudets intensitet räcker det ofta med mildare lösningsmedel för att avlägsna skikten av aktivt material från folien eller strömkollektorn. Därmed är ultraljudsdelaminering av elektroder snabbare, miljövänlig och betydligt mindre energikrävande.

Bilder från svepelektronmikroskopi (SEM) som visar de morfologiska förändringarna i elektrodens aktiva material vid ultraljudsdelaminering. Alla bilder togs med 5000x förstoring och 10 kV excitationsenergi. a) katodmaterial före delaminering, b) delaminerat aktivt katodmaterial, c) anodmaterial före delaminering och d) delaminerat anodmaterial.
(studie och bilder: Lei et al., 2021)

Fragmentering av batterier jämfört med elektrodseparering

För att återvinna det aktiva materialet används antingen vattenbaserade eller organiska lösningsmedel för att lösa upp metallfolien, polymerbindemedlet och/eller det aktiva materialet. Processens utformning och förlopp påverkar materialåtervinningens slutresultat avsevärt. Den traditionella processen för batteriåtervinning omfattar fragmentering av batterimodulerna. Fragmenterade komponenter är dock svåra att separera i enskilda beståndsdelar. Det krävs komplex bearbetning för att utvinna aktivt/värdefullt material ur den fragmenterade massan. För att kunna återanvända återvunna aktiva material krävs en viss renhetsgrad. Att utvinna material med hög renhet ur fragmenterad batterimassa kräver komplexa processer och aggressiva lösningsmedel och är därför dyrt. Ultraljudsassisterad lakning används framgångsrikt för att intensifiera och förbättra resultaten vid återvinning av aktivt material från fragmenterade litiumjonbatterier.
Som ett alternativ till traditionell fragmentering har elektrodseparation visat sig vara en effektiv process för batteriåtervinning som avsevärt kan förbättra de utvunna materialens renhet. Vid elektrodseparation demonteras batteriet i sina huvudkomponenter. Eftersom elektroderna innehåller den största andelen värdefullt material separeras elektroden och behandlas kemiskt för att lösa upp de aktiva materialen (litium, nickel, mangan, kobolt …) från den belagda folien eller strömkollektorn. Ultraljudsbehandling är välkänd för sina intensiva effekter som orsakas av akustisk kavitation. De sonomekaniska krafterna ger tillräcklig oscillation och skjuvning för att avlägsna de aktiva material som ligger i skikt på folien. (En belagd folies struktur liknar en sandwich, med folien i mitten och skiktet av aktivt material som ytterskikt.)
Elektrodseparation skulle vara ett mer genomförbart alternativ än fragmentering när den används tillsammans med autonom demontering, vilket möjliggör renare avfallsströmmar och större värdebevarande i försörjningen

Ultraljudssonotroder för elektroddelaminering

Specialsonotroder som ger den amplitud som krävs för att avlägsna de aktiva materialen från elektrodfolien finns lätt tillgängliga. Eftersom den akustiska kavitationens intensitet minskar med ökande avstånd mellan sonotroden och elektroden är det fördelaktigt att hela tiden hålla ett jämnt avstånd mellan sonotroden och elektroden. Det innebär att elektrodarket bör föras tätt under sonotrodspetsen, där tryckvågorna är starka och kavitationstätheten är hög. Med specialsonotroder som är bredare än den cylindriska standardsonden för ultraljud erbjuder Hielscher Ultrasonics en effektiv lösning för jämn delaminering av elektrodark från elfordon. Exempelvis har elektroder som används i elfordonsbatterier (EV) med påsceller vanligtvis en bredd på cirka 20 cm. En sonotrod med samma bredd överför akustisk kavitation jämnt över hela elektrodytan. Därigenom frigörs skikten av aktivt material i lösningsmedlet inom några sekunder och kan extraheras och renas till pulver. Detta pulver kan återanvändas för tillverkning av nya batterier.
Forskargruppen vid brittiska Faraday Institution rapporterar att skikten av aktivt material kan avlägsnas från en LIB-elektrod på mindre än 10 s när elektroden befinner sig direkt under en sonotrod med hög effekt (1000 till 2000 W, t.ex. UIP1000hdT eller UIP2000hdT). Under ultraljudsbehandlingen bryts vidhäftningsbindningarna mellan de aktiva materialen och strömkollektorerna så att en intakt strömkollektor och aktivt material i pulverform kan återvinnas i ett efterföljande reningssteg.

Bilder som visar ultraljudets effekt på baksidan av: a) ett anodark från ett litiumjonbatteri och b) ett katodark från ett litiumjonbatteri. Anoden delaminerades i en lösning av 0,05 M citronsyra; katoden delaminerades i en lösning av 0,1 M NaOH. Sonotroden hade en diameter på 20 mm, och en effektintensitet på 120 W/cm2 applicerades under 3 sekunder på ett avstånd av 2,5 mm från sonotroden. Provstorleken var 3 cm x 3 cm.
(studie och bilder: Lei et al., 2021)

Ultraljudsapparater för elektroddelaminering

Hielscher Ultrasonics utvecklar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljudsprocessorer som arbetar i 20kHz-området. Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsapparater är högeffektultraljudsprocessorer som kan leverera mycket höga amplituder för krävande tillämpningar. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns specialanpassade ultraljudssonotroder. För kontinuerlig delaminering av elektroder erbjuder Hielscher ett sortiment av både standardsonotroder och specialanpassade sonotroder. Sonotrodens storlek kan anpassas till elektrodmaterialets storlek och bredd för att uppnå optimala processförhållanden för hög genomströmning och överlägsen återvinning.

Litteratur / Referenser

• 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.