การรีไซเคิลอิเล็กโทรด – ประสิทธิภาพสูงด้วยการหลุดลอกด้วยอัลตราโซนิก

การหลุดลอกด้วยอัลตราโซนิกของอิเล็กโทรดช่วยให้สามารถกู้คืนวัสดุที่ใช้งานอยู่เช่นลิเธียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ ฯลฯ ภายในไม่กี่วินาที ด้วยเหตุนี้การหลุดลอกอิเล็กโทรดอัลตราโซนิกทําให้การกู้คืนวัสดุที่นํากลับมาใช้ใหม่ได้จากแบตเตอรี่เร็วขึ้นเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและใช้พลังงานน้อยลงอย่างมีนัยสําคัญ การวิจัยได้พิสูจน์แล้วว่าการหลุดลอกด้วยอัลตราโซนิกสามารถเร็วกว่าเทคนิคการรีไซเคิลทั่วไปถึง 100 เท่า

Power Ultrasound ช่วยเพิ่มการกู้คืนวัสดุที่ใช้งานจากอิเล็กโทรด

การหลุดลอกอิเล็กโทรดแบบอัลตราโซนิกเป็นแนวทางที่รวดเร็วมีประสิทธิภาพและยั่งยืนในการกู้คืนวัสดุที่ใช้งานและฟอยล์ ชิ้นส่วนเหล่านี้ของอิเล็กโทรดเป็นวัสดุที่มีคุณค่าซึ่งสามารถนํากลับมาใช้ใหม่ในการผลิตแบตเตอรี่ใหม่ได้ การหลุดลอกด้วยอัลตราโซนิกไม่เพียง แต่ประหยัดพลังงานมากกว่ากระบวนการรีไซเคิลไฮโดรโลหะและไพโรโลหะวิทยาอย่างมีนัยสําคัญ แต่ยังให้ผลผลิตในวัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูงกว่า

การรีไซเคิลแบตเตอรี่: การแยกอิเล็กโทรดและการหลุดลอก

การรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (LIB) มีจุดมุ่งหมายเพื่อกู้คืนวัสดุที่มีค่า อิเล็กโทรดประกอบด้วยวัสดุที่มีค่าและหายากเช่นลิเธียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ ฯลฯ ซึ่งสามารถกู้คืนได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้กระบวนการหลุดลอกอัลตราโซนิกแบบต่อเนื่อง โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกที่ติดตั้งโพรบ (sonotrode) สามารถสร้างแอมพลิจูดที่เข้มข้นได้ แอมพลิจูดส่งคลื่นอัลตราซาวนด์ไปยังตัวกลางที่เป็นของเหลว (เช่น อ่างตัวทําละลาย) ซึ่งเนื่องจากรอบแรงดันสูง / แรงดันต่ําสลับกัน ฟองอากาศสูญญากาศเหล่านี้เติบโตในสองสามรอบ จนกว่าจะถึงขนาดที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้อีก ณ จุดนี้ฟองสบู่จะระเบิดอย่างรุนแรง การระเบิดของฟองอากาศทําให้เกิดสภาพแวดล้อมที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงในท้องถิ่นด้วยไอพ่นของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 280 ม./วินาที ความปั่นป่วนที่รุนแรง อุณหภูมิที่สูงมาก (ประมาณ 5,000K) ความดัน (ประมาณ 2,000atm) และความแตกต่างของอุณหภูมิและความดัน
ปรากฏการณ์ของการระเบิดฟองสบู่ที่เกิดจากอัลตราโซนิกนี้เป็นที่รู้จักกันดีว่าโพรงอากาศอะคูสติก ผลกระทบของโพรงอากาศอะคูสติกจะขจัดฟิล์มคอมโพสิตของวัสดุออกฤทธิ์ออกจากตัวเก็บกระแสฟอยล์ซึ่งเคลือบทั้งสองด้านด้วยฟิล์มคอมโพสิต สารออกฤทธิ์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนผสมของลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LMO) และผงลิเธียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ออกไซด์ (LiNiMnCoO2 หรือ NMC) รวมถึงคาร์บอนแบล็คเป็นสารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า
กลไกของการหลุดลอกอัลตราโซนิกขึ้นอยู่กับแรงทางกายภาพซึ่งสามารถทําลายพันธะโมเลกุลได้ เนื่องจากความเข้มของอัลตราซาวนด์พลังงานตัวทําละลายที่อ่อนกว่ามักจะเพียงพอที่จะขจัดชั้นของวัสดุออกฤทธิ์ออกจากฟอยล์หรือตัวเก็บกระแส ด้วยเหตุนี้การหลุดลอกอัลตราโซนิกของอิเล็กโทรดจึงเร็วขึ้นเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและใช้พลังงานน้อยลงอย่างมีนัยสําคัญ

ภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) แสดงการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของวัสดุออกฤทธิ์ของอิเล็กโทรดเมื่อหลุดลอกด้วยอัลตราโซนิก ภาพทั้งหมดถ่ายที่กําลังขยาย 5000x และพลังงานกระตุ้น 10 kV a) วัสดุแคโทดก่อนการหลุดลอก b) วัสดุแอคทีฟแคโทดที่หลุดลอก c) วัสดุแอโนดก่อนการหลุดลอกและ d) วัสดุแอโนดที่หลุดลอก
(การศึกษาและรูปภาพ: Lei et al., 2021)

การทําลายแบตเตอรี่กับการแยกอิเล็กโทรด

สําหรับการนําตัวทําละลายที่เป็นน้ําหรืออินทรีย์มาใช้เพื่อละลายฟอยล์โลหะสารยึดเกาะโพลีเมอร์และ / หรือวัสดุออกฤทธิ์ การออกแบบกระบวนการและการไหลมีอิทธิพลต่อผลลัพธ์สุดท้ายของการกู้คืนวัสดุอย่างมีนัยสําคัญ กระบวนการรีไซเคิลแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมเกี่ยวข้องกับการทําลายโมดูลแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบที่หั่นเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยนั้นยากที่จะแยกออกเป็นส่วนประกอบแต่ละชิ้น ต้องใช้การประมวลผลที่ซับซ้อนเพื่อให้ได้วัสดุที่ใช้งาน/มีคุณค่าจากมวลที่หั่นฝอย ในการนําวัสดุออกฤทธิ์ที่นํากลับมาใช้ใหม่จําเป็นต้องมีความบริสุทธิ์ในระดับหนึ่ง การดึงวัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูงจากแบตเตอรี่ที่หั่นฝอยจํานวนมากเกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ซับซ้อนตัวทําละลายที่รุนแรงดังนั้นจึงมีราคาแพง การชะล้างอัลตราโซนิกประสบความสําเร็จในการเพิ่มความเข้มข้นและเพิ่มผลลัพธ์ของการกู้คืนวัสดุที่ใช้งานอยู่จากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่หั่นฝอย
การแยกอิเล็กโทรดได้รับการแสดงให้เห็นว่าเป็นกระบวนการรีไซเคิลแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพซึ่งสามารถปรับปรุงความบริสุทธิ์ของวัสดุที่ได้รับได้อย่างมาก สําหรับกระบวนการแยกอิเล็กโทรดแบตเตอรี่จะถูกถอดประกอบเป็นส่วนประกอบหลัก อิเล็กโทรดจึงถูกแยกออกจากกันและบําบัดทางเคมีเพื่อละลายสารออกฤทธิ์ (ลิเธียม นิกเกิล แมงกานีส โคบอลต์ ... ) จากฟอยล์เคลือบหรือตัวสะสมกระแส อัลตราซาวนด์เป็นที่รู้จักกันดีในด้านผลกระทบที่รุนแรงที่เกิดจากโพรงอากาศอะคูสติก แรง sonomechanical ใช้การสั่นและแรงเฉือนเพียงพอเพื่อขจัดวัสดุที่ใช้งานซึ่งวางซ้อนทับบนฟอยล์ (โครงสร้างของฟอยล์เคลือบคล้ายกับแซนวิชฟอยล์ตรงกลางและชั้นวัสดุที่ใช้งานสร้างพื้นผิวด้านนอก)
การแยกอิเล็กโทรดจะเป็นตัวเลือกที่ทํางานได้มากกว่าการหั่นย่อยเมื่อใช้ร่วมกับการถอดชิ้นส่วนอัตโนมัติทําให้มีกระแสของเสียที่บริสุทธิ์ยิ่งขึ้นและรักษามูลค่าที่มากขึ้นในอุปทาน

Sonotrodes อัลตราโซนิกสําหรับการหลุดลอกอิเล็กโทรด

sonotrodes พิเศษที่ให้แอมพลิจูดที่ต้องการเพื่อขจัดวัสดุที่ใช้งานออกจากฟอยล์อิเล็กโทรดนั้นพร้อมใช้งาน เนื่องจากความเข้มของโพรงอากาศอะคูสติกลดลงตามระยะห่างที่เพิ่มขึ้นระหว่างโซโนโทรดและอิเล็กโทรดระยะห่างที่สม่ําเสมออย่างต่อเนื่องระหว่างโซโนโทรดและอิเล็กโทรดจึงเป็นที่นิยม ซึ่งหมายความว่าควรเคลื่อนย้ายแผ่นอิเล็กโทรดอย่างใกล้ชิดใต้ปลาย sonotrode ซึ่งคลื่นแรงดันแรงและความหนาแน่นของโพรงอากาศสูง ด้วยโซโนโทรดพิเศษที่มีความกว้างกว้างกว่าโพรบอัลตราโซนิกทรงกระบอกมาตรฐาน Hielscher Ultrasonics นําเสนอโซลูชั่นที่มีประสิทธิภาพสําหรับการหลุดลอกแผ่นอิเล็กโทรดจากรถยนต์ไฟฟ้าอย่างสม่ําเสมอ ตัวอย่างเช่น อิเล็กโทรดที่ใช้ในแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า (EV) แบบ pouch cell โดยทั่วไปจะมีความกว้างประมาณ 20 ซม. sonotrode ที่มีความกว้างเท่ากันจะส่งโพรงอากาศอะคูสติกอย่างสม่ําเสมอที่พื้นผิวอิเล็กโทรดทั้งหมด ด้วยเหตุนี้ภายในไม่กี่วินาทีชั้นของสารออกฤทธิ์จะถูกปล่อยเข้าสู่ตัวทําละลายและสามารถสกัดและทําให้บริสุทธิ์เป็นผงได้ ผงนี้สามารถนํากลับมาใช้ใหม่ในการผลิตแบตเตอรี่ใหม่ได้
ทีมวิจัยของสถาบันฟาราเดย์ของสหราชอาณาจักรรายงานว่าการกําจัดชั้นวัสดุที่ใช้งานออกจากอิเล็กโทรด LIB สามารถทําได้ภายในเวลาไม่ถึง 10 วินาทีเมื่ออิเล็กโทรดอยู่ใต้โซโนโทรดกําลังสูง (1000 ถึง 2000 W เช่น ยูไอพี 1000hdT หรือ UIP2000hdt). ในระหว่างการบําบัดด้วยอัลตราโซนิกพันธะกาวระหว่างวัสดุที่ใช้งานและตัวสะสมกระแสไฟฟ้าจะถูกทําลายเพื่อให้ในขั้นตอนการทําให้บริสุทธิ์ในภายหลังสามารถกู้คืนตัวสะสมกระแสไฟฟ้าที่สมบูรณ์และวัสดุที่ใช้งานแบบผงได้

ภาพแสดงผลของอัลตราซาวนด์ที่ด้านหลังของ: a) แผ่นขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และ b) แผ่นแคโทดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ขั้วบวกถูกแยกส่วนในสารละลายของกรดซิตริก 0.05 ม. แคโทดถูกแยกออกในสารละลาย 0.1 M NaOH sonotrode มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 มม. ใช้ความเข้มของพลังงาน 120 W/cm2 เป็นเวลา 3 วินาที โดยห่างจาก sonotrode 2.5 มม. ขนาดตัวอย่างคือ 3 ซม. x 3 ซม.
(การศึกษาและรูปภาพ: Lei et al., 2021)

เครื่องอัลตราโซนิกสําหรับการหลุดลอกอิเล็กโทรด

Hielscher Ultrasonics ออกแบบผลิตและจัดจําหน่ายโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงซึ่งทํางานในช่วง 20kHz Hielscher อัลตราโซนิกส์’ เครื่องอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมเป็นโปรเซสเซอร์อัลตราซาวนด์กําลังสูงซึ่งสามารถให้แอมพลิจูดที่สูงมากสําหรับการใช้งานที่ต้องการ แอมพลิจูดสูงถึง 200μm สามารถทํางานต่อเนื่องได้อย่างง่ายดายในการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน สําหรับแอมพลิจูดที่สูงขึ้นมี sonotrodes อัลตราโซนิกแบบกําหนดเอง สําหรับกระบวนการลอกอิเล็กโทรดอย่างต่อเนื่อง Hielscher มีโซโนโทรดมาตรฐานและแบบกําหนดเองที่หลากหลาย ขนาด sonotrode สามารถปรับให้เข้ากับขนาดและความกว้างของวัสดุอิเล็กโทรดได้ดังนั้นจึงกําหนดเป้าหมายเงื่อนไขกระบวนการที่เหมาะสมที่สุดสําหรับปริมาณงานสูงและการกู้คืนที่เหนือกว่า

วรรณกรรม / อ้างอิง