การรีไซเคิลขั้วไฟฟ้า – ประสิทธิภาพสูงด้วยการแยกชั้นด้วยอัลตราโซนิก

การแยกชั้นขั้วไฟฟ้าด้วยอัลตราโซนิกช่วยให้กู้คืนวัสดุออกฤทธิ์ เช่น ลิเทียม นิกเกิล แมงกานีส โคบอลต์ เป็นต้น ได้ภายในไม่กี่วินาที ดังนั้น การแยกชั้นขั้วไฟฟ้าด้วยอัลตราโซนิกจึงทำให้การกู้คืนวัสดุที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้จากแบตเตอรี่รวดเร็วขึ้น เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และใช้พลังงานน้อยลงอย่างมีนัยสำคัญ งานวิจัยได้พิสูจน์แล้วว่าการแยกชั้นด้วยอัลตราโซนิกสามารถรวดเร็วกว่าวิธีรีไซเคิลทั่วไปได้ถึง 100 เท่า

อัลตราซาวนด์กำลังสูงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกู้คืนวัสดุออกฤทธิ์จากขั้วไฟฟ้า

การแยกชั้นขั้วไฟฟ้าโดยใช้อัลตราโซนิกช่วยเป็นแนวทางที่รวดเร็ว มีประสิทธิภาพ และยั่งยืนในการกู้คืนวัสดุออกฤทธิ์และฟอยล์ ส่วนประกอบเหล่านี้ของขั้วไฟฟ้าเป็นวัสดุที่มีมูลค่า ซึ่งสามารถนำกลับมาใช้ในการผลิตแบตเตอรี่ใหม่ได้ การแยกชั้นด้วยอัลตราโซนิกไม่เพียงมีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูงกว่ากระบวนการรีไซเคิลทางโลหวิทยาสารละลายและโลหวิทยาความร้อนอย่างมีนัยสำคัญเท่านั้น แต่ยังให้วัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูงกว่าด้วย

การรีไซเคิลแบตเตอรี่: การแยกขั้วไฟฟ้าและการแยกชั้น

การรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (LIB) มีเป้าหมายเพื่อกู้คืนวัสดุที่มีมูลค่า ขั้วไฟฟ้ามีวัสดุที่มีค่าและหายาก เช่น ลิเทียม นิกเกิล แมงกานีส โคบอลต์ เป็นต้น ซึ่งสามารถกู้คืนได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยกระบวนการแยกชั้นด้วยอัลตราโซนิกแบบต่อเนื่อง เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกที่ติดตั้งหัวโพรบ (โซโนโทรด) สามารถสร้างแอมพลิจูดสูงได้ แอมพลิจูดนี้ส่งคลื่นอัลตราซาวนด์เข้าสู่ตัวกลางของเหลว (เช่น อ่างตัวทำละลาย) ซึ่งเกิดฟองสุญญากาศขนาดเล็กมากขึ้นเนื่องจากวัฏจักรความดันสูง / ความดันต่ำที่สลับกัน ฟองสุญญากาศเหล่านี้ขยายตัวในช่วงไม่กี่วัฏจักร จนมีขนาดที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานเพิ่มได้อีก ณ จุดนี้ ฟองจะยุบตัวอย่างรุนแรง การยุบตัวของฟองทำให้เกิดสภาวะเฉพาะบริเวณที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงมาก โดยมีลำพุ่งของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 280m/s ความปั่นป่วนรุนแรง อุณหภูมิสูงมาก (ประมาณ 5,000K) ความดันสูง (ประมาณ 2,000atm) และความแตกต่างของอุณหภูมิและความดันที่เกิดขึ้นตามมา
ปรากฏการณ์การยุบตัวของฟองที่เหนี่ยวนำด้วยอัลตราโซนิกนี้เรียกว่า คาวิเทชันทางเสียง ผลของคาวิเทชันทางเสียงทำให้ฟิล์มคอมโพสิตของวัสดุออกฤทธิ์หลุดออกจากตัวรวบรวมกระแสชนิดฟอยล์ ซึ่งเคลือบฟิล์มคอมโพสิตไว้ทั้งสองด้าน วัสดุออกฤทธิ์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนผสมของผงลิเทียมแมงกานีสออกไซด์ (LMO) และลิเทียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ออกไซด์ (LiNiMnCoO2 หรือ NMC) รวมทั้งคาร์บอนแบล็กซึ่งเป็นสารเติมแต่งเพื่อการนำไฟฟ้า
กลไกการแยกชั้นด้วยอัลตราโซนิกอาศัยแรงทางกายภาพที่สามารถทำลายพันธะโมเลกุลได้ ด้วยความเข้มของอัลตราซาวนด์กำลังสูง ตัวทำละลายที่มีความรุนแรงน้อยกว่าจึงมักเพียงพอที่จะกำจัดชั้นวัสดุออกฤทธิ์ออกจากฟอยล์หรือตัวรวบรวมกระแส ดังนั้น การแยกชั้นขั้วไฟฟ้าด้วยอัลตราโซนิกจึงรวดเร็วขึ้น เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และใช้พลังงานน้อยลงอย่างมีนัยสำคัญ

ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) แสดงการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของวัสดุออกฤทธิ์ของขั้วไฟฟ้าเมื่อแยกชั้นด้วยอัลตราโซนิก ภาพทั้งหมดถ่ายที่กำลังขยาย 5000x และพลังงานกระตุ้น 10 kV a) วัสดุแคโทดก่อนการแยกชั้น b) วัสดุออกฤทธิ์ของแคโทดที่แยกชั้นแล้ว c) วัสดุแอโนดก่อนการแยกชั้น และ d) วัสดุแอโนดที่แยกชั้นแล้ว
(การศึกษาและภาพ: Lei et al., 2021)

การย่อยแบตเตอรี่เทียบกับการแยกขั้วไฟฟ้า

ในการกู้คืนวัสดุออกฤทธิ์ ใช้ตัวทำละลายที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบหรือตัวทำละลายอินทรีย์เพื่อละลายฟอยล์โลหะ สารยึดเกาะพอลิเมอร์ และ/หรือวัสดุออกฤทธิ์ การออกแบบและลำดับการดำเนินกระบวนการมีอิทธิพลอย่างมีนัยสำคัญต่อผลลัพธ์สุดท้ายของการกู้คืนวัสดุ กระบวนการรีไซเคิลแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมประกอบด้วยการย่อยโมดูลแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบที่ย่อยแล้วแยกออกเป็นส่วนประกอบแต่ละชนิดได้ยาก จำเป็นต้องใช้กระบวนการที่ซับซ้อนเพื่อให้ได้วัสดุออกฤทธิ์/วัสดุที่มีมูลค่าจากมวลวัสดุที่ย่อยแล้ว การนำวัสดุออกฤทธิ์ที่กู้คืนได้กลับมาใช้ใหม่ต้องมีความบริสุทธิ์ในระดับหนึ่ง การกู้คืนวัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูงจากมวลแบตเตอรี่ที่ย่อยแล้วต้องใช้กระบวนการที่ซับซ้อนและตัวทำละลายที่มีความรุนแรง จึงมีค่าใช้จ่ายสูง การชะละลายด้วยอัลตราโซนิกถูกนำมาใช้อย่างประสบความสำเร็จเพื่อเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการและปรับปรุงผลลัพธ์ในการกู้คืนวัสดุออกฤทธิ์จากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ย่อยแล้ว
การแยกขั้วไฟฟ้าเป็นกระบวนการทางเลือกแทนการย่อยแบบดั้งเดิม ซึ่งได้รับการแสดงให้เห็นว่าเป็นกระบวนการรีไซเคิลแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิผลและสามารถเพิ่มความบริสุทธิ์ของวัสดุที่ได้อย่างมีนัยสำคัญ ในกระบวนการแยกขั้วไฟฟ้า แบตเตอรี่จะถูกถอดแยกออกเป็นส่วนประกอบหลัก เนื่องจากขั้วไฟฟ้ามีสัดส่วนของวัสดุที่มีมูลค่ามากที่สุด จึงแยกขั้วไฟฟ้าออกและผ่านกระบวนการทางเคมีเพื่อละลายวัสดุออกฤทธิ์ (ลิเทียม นิกเกิล แมงกานีส โคบอลต์ …) ออกจากฟอยล์ที่เคลือบหรือตัวรวบรวมกระแส การใช้อัลตราโซนิกเป็นที่รู้จักกันดีว่ามีผลรุนแรงจากคาวิเทชันทางเสียง แรงเชิงกลจากคลื่นเสียงทำให้เกิดการสั่นและแรงเฉือนเพียงพอที่จะกำจัดวัสดุออกฤทธิ์ที่อยู่เป็นชั้นบนฟอยล์ (โครงสร้างของฟอยล์ที่เคลือบคล้ายแซนด์วิช โดยมีฟอยล์อยู่ตรงกลางและชั้นวัสดุออกฤทธิ์เป็นผิวด้านนอก)
การแยกขั้วไฟฟ้าจะเป็นทางเลือกที่เหมาะสมต่อการใช้งานจริงมากกว่าการย่อย เมื่อใช้ร่วมกับการถอดแยกแบบอัตโนมัติอย่างอิสระ โดยช่วยให้ได้กระแสของเสียที่บริสุทธิ์กว่าและรักษามูลค่าไว้ได้มากขึ้นในอุปทาน

โซโนโทรดอัลตราโซนิกสำหรับการแยกชั้นขั้วไฟฟ้า

มีโซโนโทรดพิเศษที่ให้แอมพลิจูดตามที่ต้องการเพื่อกำจัดวัสดุออกฤทธิ์ออกจากฟอยล์ขั้วไฟฟ้าพร้อมใช้งาน เนื่องจากความเข้มของคาวิเทชันทางเสียงลดลงเมื่อระยะห่างระหว่างโซโนโทรดกับขั้วไฟฟ้าเพิ่มขึ้น การรักษาระยะห่างระหว่างโซโนโทรดกับขั้วไฟฟ้าให้สม่ำเสมออย่างต่อเนื่องจึงเป็นผลดี กล่าวคือ ควรเคลื่อนแผ่นขั้วไฟฟ้าผ่านบริเวณใต้ปลายโซโนโทรดในระยะใกล้ ซึ่งมีคลื่นความดันรุนแรงและความหนาแน่นของคาวิเทชันสูง ด้วยโซโนโทรดพิเศษที่มีความกว้างมากกว่าหัวโพรบอัลตราโซนิกทรงกระบอกมาตรฐาน Hielscher Ultrasonics จึงนำเสนอโซลูชันที่มีประสิทธิภาพสำหรับการแยกชั้นแผ่นขั้วไฟฟ้าจากยานยนต์ไฟฟ้าอย่างสม่ำเสมอ ตัวอย่างเช่น ขั้วไฟฟ้าที่ใช้ในแบตเตอรี่เซลล์แบบถุงของยานยนต์ไฟฟ้า (EV) โดยทั่วไปมีความกว้างประมาณ 20 cm โซโนโทรดที่มีความกว้างเท่ากันส่งคาวิเทชันทางเสียงอย่างสม่ำเสมอทั่วพื้นผิวขั้วไฟฟ้า ดังนั้น ชั้นวัสดุออกฤทธิ์จึงหลุดออกไปอยู่ในตัวทำละลายภายในไม่กี่วินาที และสามารถสกัดและทำให้บริสุทธิ์เป็นผงได้ ผงนี้สามารถนำกลับมาใช้ผลิตแบตเตอรี่ใหม่ได้
ทีมวิจัยของ Faraday Institution ในสหราชอาณาจักรรายงานว่า การกำจัดชั้นวัสดุออกฤทธิ์ออกจากขั้วไฟฟ้า LIB สามารถเสร็จสิ้นได้ในเวลาน้อยกว่า 10 s เมื่อขั้วไฟฟ้าอยู่ตรงใต้โซโนโทรดกำลังสูง (1000 ถึง 2000 W เช่น UIP1000hdT หรือ UIP2000hdT) ในระหว่างการใช้อัลตราโซนิก พันธะยึดเกาะระหว่างวัสดุออกฤทธิ์กับตัวรวบรวมกระแสจะถูกทำลาย เพื่อให้สามารถกู้คืนตัวรวบรวมกระแสที่ยังคงสภาพสมบูรณ์และวัสดุออกฤทธิ์ในรูปผงได้ในขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์ถัดไป

ภาพแสดงผลของอัลตราซาวนด์ที่ด้านหลังของ: a) แผ่นแอโนดของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน และ b) แผ่นแคโทดของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน แอโนดถูกแยกชั้นในสารละลายกรดซิตริก 0.05 M ส่วนแคโทดถูกแยกชั้นในสารละลาย NaOH 0.1 M โซโนโทรดมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 mm โดยใช้ความเข้มกำลัง 120 W/cm2 เป็นเวลา 3 วินาที ที่ระยะห่างจากโซโนโทรด 2.5 mm ขนาดตัวอย่างคือ 3 cm x 3 cm
(การศึกษาและภาพ: Lei et al., 2021)

เครื่องอัลตราโซนิกสำหรับการแยกชั้นขั้วไฟฟ้า

Hielscher Ultrasonics ออกแบบ ผลิต และจัดจำหน่ายเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกสมรรถนะสูง ซึ่งทำงานในย่านความถี่ 20kHz เครื่องอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมของ Hielscher Ultrasonics เป็นเครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์กำลังสูงที่สามารถให้แอมพลิจูดสูงมากสำหรับการใช้งานที่มีข้อกำหนดสูง สามารถใช้งานที่แอมพลิจูดสูงถึง 200µm ได้อย่างต่อเนื่องโดยสะดวกในการทำงานแบบ 24/7 สำหรับแอมพลิจูดที่สูงกว่านี้ มีโซโนโทรดอัลตราโซนิกที่ออกแบบตามความต้องการให้เลือกใช้ สำหรับกระบวนการแยกชั้นขั้วไฟฟ้าแบบต่อเนื่อง Hielscher มีโซโนโทรดทั้งแบบมาตรฐานและแบบออกแบบตามความต้องการหลากหลายรุ่น ขนาดของโซโนโทรดสามารถปรับให้เหมาะกับขนาดและความกว้างของวัสดุขั้วไฟฟ้าได้ เพื่อมุ่งให้ได้สภาวะกระบวนการที่เหมาะสมที่สุดสำหรับปริมาณการประมวลผลสูงและการกู้คืนที่เหนือกว่า

เอกสารวิชาการ / เอกสารอ้างอิง

• 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.