Återvinning av elektroder – Mycket effektiv med ultraljuddelaminering

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

Power Ultrasound förbättrar återvinningen av aktiva material från elektroder

Ultraljudsassitierad delaminering av elektroder erbjuder ett snabbt, effektivt och hållbart tillvägagångssätt 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, de ger också i material med högre renhet.

Batteriåtervinning: Elektrodseparation och delaminering

Återvinning av litiumjonbatterier (LIB) syftar till att återvinna värdefulla material. Elektroderna innehåller värdefulla och sällsynta material som litium, nickel, mangan, kobolt etc., som effektivt kan återvinnas med hjälp av en kontinuerlig ultraljudsdelamineringsprocess. Ultraljudsprocessorer utrustade med en sond (sonotrode) kan skapa intensiva amplituder. Amplituden överför ultraljudsvågor till det flytande mediet (t.ex. lösningsmedelsbad), där det på grund av växlande högtrycks- och lågtryckscykler uppstår små vakuumbubblor. Dessa vakuumbubblor växer under några cykler tills de når en storlek där de inte kan absorbera någon ytterligare energi. Vid denna tidpunkt imploderar bubblorna våldsamt. Bubbelimplosionen genererar lokalt en mycket energität miljö med vätskestrålar med en hastighet på upp till 280 m/s, intensiv turbulens, mycket höga temperaturer (ca 5 000 K), tryck (ca 2 000 atm) och därmed temperatur- och tryckskillnader.
Detta fenomen med ultraljudsinducerad bubbelimplosion är känd akustisk kavitation. Effekterna av akustisk kavitation avlägsnar kompositfilmen av aktivt material från folieströmfångaren, som är belagd på båda sidor med kompositfilmen. Det aktiva materialet innehåller till största delen en blandning av pulver av litiummanganoxid (LMO) och litiumnickelmangankoboltoxid (LiNiMnCoO2 eller NMC) samt kimrök som ledande tillsats.
Mekanismen för ultraljuddelaminering är baserad på fysiska krafter, som kan bryta molekylära bindningar. På grund av intensiteten hos kraft-ultraljud räcker det ofta med mildare lösningsmedel för att avlägsna skikten av aktivt material från folien eller strömuppsamlaren. Därmed är ultraljudsdelaminering av elektroden snabbare, miljövänlig och betydligt mindre energikrävande.

Svepelektronmikroskopi (SEM) bilder som visar de morfologiska förändringarna i elektrodens aktiva material vid ultraljuddelaminering. Alla bilder är tagna med 5000x förstoring och 10 kV excitationsenergi. a) katodmaterial före delaminering, b) delaminerat katodaktivt material, c) anodmaterial före delaminering och d) delaminerat anodmaterial.
(studie och bilder: Lei et al., 2021)

Batteriförstöring kontra elektrodseparation

För återvinning av det aktiva materialet används antingen vattenhaltiga eller organiska lösningsmedel för att lösa upp metallfolien, polymerbindemedlet och/eller det aktiva materialet. Processens utformning och flöde påverkar i hög grad det slutliga resultatet av materialåtervinningen. Den traditionella batteriåtervinningsprocessen innebär att batterimodulerna strimlas. Strimlade komponenter är dock svåra att separera i enskilda komponenter. Det kräver komplex bearbetning för att få aktivt/värdefullt material från den strimlade massan. För att kunna återanvända återvunnet aktivt material krävs en viss grad av renhet. Att utvinna mycket rena material från strimlad batteribulk involverar komplexa processer, starka lösningsmedel och är därför dyrt. Ultraljudslakning används framgångsrikt för att intensifiera och förbättra resultaten av aktiv materialåtervinning från strimlade litiumjonbatterier.
Som en alternativ process till den traditionella fragmenteringen har elektrodseparation visat sig vara en effektiv batteriåtervinningsprocess som avsevärt kan förbättra renheten hos de erhållna materialen. För elektrodseparationsprocessen demonteras batteriet i sina huvudkomponenter. Eftersom elektroderna innehåller en största andel värdefullt material separeras och behandlas elektroden kemiskt för att lösa upp de aktiva materialen (litium, nickel, mangan, kobolt ...) från den belagda folien eller strömfångaren. Ultraljud är välkänt för sina intensiva effekter orsakade av akustisk kavitation. De sonomekaniska krafterna applicerar tillräckligt med svängning och skjuvning för att avlägsna de aktiva materialen, som är skiktade på folien. (Strukturen hos en belagd folie liknar en sandwich, folien i mitten och det aktiva materialskiktet byggde den yttre ytan.)
Elektrodseparation skulle vara ett mer lönsamt alternativ än fragmentering, när det används i kombination med autonom demontering, vilket möjliggör renare avfallsströmmar och större värdebevarande i försörjningen

Ultraljud Sonotrodes för elektrod delaminering

Speciella sonotroder som ger den amplitud som krävs för att avlägsna de aktiva materialen från elektrodfolien är lätt tillgängliga. Eftersom intensiteten av akustisk kavitation minskar med ökande avstånd mellan sonotrode och elektrod, är ett kontinuerligt jämnt avstånd mellan sonotrode och elektrod gynnsamt. Detta innebär att elektrodarket ska flyttas nära under sonotrodespetsen, där tryckvågorna är starka och kavitationsdensiteten är hög. Med speciella sonotroder som erbjuder en bredare bredd än den vanliga cylindriska ultraljudssonden, erbjuder Hielscher Ultrasonics en effektiv lösning för enhetlig delaminering av elektrodark från elfordon. Till exempel har elektroder som används i fickcellsbatterier för elfordon (EV) vanligtvis en bredd på cirka 20 cm. En sonotrode med samma bredd överför akustisk kavitation jämnt på hela elektrodytan. På så sätt frigörs inom några sekunder skikten av aktivt material i lösningsmedlet och kan extraheras och renas till pulver. Detta pulver kan återanvändas för tillverkning av nya batterier.
Forskargruppen vid Storbritanniens Faraday Institution rapporterar att avlägsnandet av de aktiva materialskikten från LIB-elektroden kan slutföras på mindre än 10 s när elektroden är placerad direkt under en högeffektsonotrode (1000 till 2000 W, t.ex. UIP1000hdT eller UIP2000hdT). Under ultraljudsbehandlingen bryts limbindningarna mellan de aktiva materialen och strömavsamlarna så att i ett efterföljande reningssteg kan en intakt strömavtagare och pulveriserat aktivt material återvinnas.

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

Ultraljudsapparater för delaminering av elektroder

Hielscher Ultrasonics designar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljudsprocessorer, som fungerar i 20kHz-området. Hielscher Ultraljud’ Industriella ultraljudsapparater är ultraljudsprocessorer med hög effekt som kan leverera mycket höga amplituder för krävande applikationer. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. För den kontinuerliga delamineringsprocessen av elektroder erbjuder Hielscher en rad standardsonotroder samt anpassade sonotroder. Sonotrodestorleken kan anpassas till elektrodmaterialets storlek och bredd och därmed rikta in sig på optimala processförhållanden för hög genomströmning och överlägsen återvinning.

Litteratur / Referenser