Återvinning av elektroder – Mycket effektiv med ultraljud delamination

Ultraljud delaminering av elektroder gör det möjligt att återvinna aktiva material såsom litium, nickel, mangan, kobolt etc. inom några sekunder. Därmed gör ultraljud elektrod delaminering återvinning av återanvändbara material från batterier snabbare, grön och betydligt mindre energikrävande. Forskning har redan visat att ultraljud delaminering kan vara 100 gånger snabbare än konventionella återvinningstekniker.

Power Ultraljud förbättrar återvinning av aktiva material från elektroder

Ultraljud-assited delaminering av elektroder erbjuder en snabb, effektiv, och hållbar metod återvinna aktiva material och folien. Dessa delar av elektroden är värdefulla material som kan återanvändas för tillverkning av nya batterier. Ultraljud delaminering 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 ultraljud delaminering process. Ultraljud processorer utrustade med en sond (sonotrode) kan skapa intensiva amplituder. Amplituden överför ultraljudsvågor till det flytande mediet (t.ex. lösningsmedelsbad), där på grund av alternerande högtrycks- / lågtryckscykler uppstår små vakuumbubblor. Dessa vakuumbubblor växer över några cykler tills de når en storlek där de inte kan absorbera ytterligare energi. Vid denna tidpunkt imploderar bubblorna våldsamt. Bubbelimplosionen genererar lokalt en mycket energität miljö med vätskestrålar på upp till 280 m / s hastighet, intensiva turbulenser, mycket höga temperaturer (ca 5 000K), tryck (ca 2 000 atm) och därefter temperatur- och tryckskillnader.
Detta fenomen av ultraljud inducerad bubbelimplosion är känd akustisk kavitation. Effekterna av akustisk kavitation avlägsnar kompositfilmen av aktivt material från folieströmuppsamlaren, som är belagd på båda sidor med kompositfilmen. aktivt material innehåller mestadels en blandning av litiummanganoxid (LMO) och litiumnickelmangankoboltoxid (LiNiMnCoO2 eller NMC) pulver samt kimrök som ledande tillsatsmedel.
Mekanismen för ultraljudsdelaminering är baserad på fysiska krafter, som kan bryta molekylära bindningar. På grund av intensiteten hos kraft-ultraljud är ofta mildare lösningsmedel tillräckliga för att avlägsna skikten av aktivt material från folien eller strömuppsamlaren. Därmed är ultraljudsdelaminering av elektrod snabbare, miljövänlig och betydligt mindre energikrävande.

Skanning elektronmikroskopi (SEM) bilder som visar de morfologiska förändringarna i elektroden aktivt material vid ultraljud delaminering. Alla bilder togs med en 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 det slutliga resultatet av materialåtervinningen avsevärt. Den traditionella batteriåtervinningsprocessen innebär fragmentering av batterimodulerna. Strimlade komponenter är emellertid svåra att separera i enskilda komponenter. Det kräver komplex bearbetning för att erhålla aktivt/ värdefullt material från den strimlade massan. För att återanvända återvunna aktiva material krävs en viss renhetsgrad. Att hämta mycket rena material från strimlad batterimassa innebär komplexa processer, hårda lösningsmedel och är därför dyrt. Ultraljud utlakning 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 dess huvudkomponenter. Eftersom elektroderna innehåller en största andel värdefullt material separeras elektroden och behandlas kemiskt för att lösa upp de aktiva materialen (litium, nickel, mangan, kobolt ...) från den belagda folien eller strömuppsamlaren. 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 smörgås, folien i mitten och det aktiva materialskiktet byggde ytterytan.)
elektrodseparation skulle göra ett mer genomförbart alternativ än fragmentering, när det används i samband med autonom demontering, vilket möjliggör renare avfallsflöden och större värderetention i tillförseln

Ultraljud Sonotrodes för elektrod delamination

Speciella sonotrodes som levererar den erforderliga amplituden för att avlägsna de aktiva materialen från elektrodfolien är lättillgängliga. Eftersom intensiteten av akustisk kavitation minskar med ökande avstånd mellan sonettrod och elektrod är ett kontinuerligt enhetligt avstånd mellan sonettrod och elektrod gynnsamt. Detta innebär att elektrodarket bör flyttas nära under sonotrodspetsen, där tryckvågorna är starka och kavitationstätheten är hög. Med speciella sonotrodes som erbjuder en bredare bredd än standard cylindrisk ultraljudssond, Hielscher Ultrasonics erbjuder en effektiv lösning för enhetlig delaminering av elektrodplåtar från elfordon. Till exempel har elektroder som används i påscellsbatterier (EV) vanligtvis en bredd på ca. En sonotrode med samma bredd överför akustisk kavitation jämnt vid hela elektrodytan. Därmed frigörs inom några sekunder skikten av aktivt material i lösningsmedlet och kan extraheras och renas till pulver. Detta pulver kan återanvändas för produktion av nya batterier.
Forskargruppen vid Den brittiska 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 sonotrode med hög effekt (1000 till 2000 W, t.ex. UIP1000hdT eller UIP2000hdT). Under ultraljudsbehandlingen bryts limbindningarna mellan de aktiva materialen och strömuppsamlarna så att i ett efterföljande reningssteg kan en intakt strömuppsamlare och pulveriserat aktivt material återvinnas.

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

Ultrasonicators för elektrod delamination

Hielscher Ultrasonics designar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljud processorer, som fungerar i 20kHz-intervallet. Hielscher ultraljud’ industriella ultrasonicators är hög effekt ultraljud processorer 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, anpassade ultraljud sonotrodes finns tillgängliga. För den kontinuerliga delamineringsprocessen av elektroder erbjuder Hielscher en rad standard såväl som anpassade sonotrodes. Sonotrodstorleken kan anpassas till elektrodmaterialets storlek och bredd och därigenom rikta optimala processförhållanden för hög genomströmning och överlägsen återvinning.

Litteratur / Referenser