Elektrot Geri Dönüşümü – Ultrasonik Delaminasyon ile Yüksek Verimli

Elektrotların ultrasonik delaminasyonu, lityum, nikel, manganez, kobalt vb. gibi aktif maddelerin saniyeler içinde geri kazanılmasını sağlar. Böylece, ultrasonik elektrot delaminasyonu, yeniden kullanılabilir malzemelerin pillerden geri kazanılmasını daha hızlı, yeşil ve önemli ölçüde daha az enerji yoğun hale getirir. Araştırmalar, ultrasonik delaminasyonun geleneksel geri dönüşüm tekniklerinden 100 kat daha hızlı olabileceğini kanıtlamıştır.

Power Ultrason, Elektrotlardan Aktif Maddelerin Geri Kazanımını İyileştirir

Elektrotların ultrasonik olarak delaminasyonu, aktif malzemeleri ve folyoyu geri kazanmak için hızlı, verimli ve sürdürülebilir bir yaklaşım sunar. Elektrotun bu parçaları, yeni pillerin üretimi için yeniden kullanılabilen değerli malzemelerdir. Ultrasonik delaminasyon, hidrometalurjik ve pirometalurjik geri dönüşüm işlemlerinden sadece önemli ölçüde daha fazla enerji verimli olmakla kalmaz, aynı zamanda daha yüksek saflıkta malzemelerde de verim sağlar.

Pil Geri Dönüşümü: Elektrot Ayırma ve Delaminasyon

Lityum iyon pil (LIB) geri dönüşümü, değerli malzemelerin geri kazanılmasını amaçlar. Elektrotlar, lityum, nikel, manganez, kobalt vb. gibi değerli ve nadir malzemeler içerir ve bunlar sürekli bir ultrasonik delaminasyon işlemi kullanılarak verimli bir şekilde geri kazanılabilir. Bir prob (sonotrot) ile donatılmış ultrasonik işlemciler yoğun genlikler oluşturabilir. Genlik, ultrason dalgalarını sıvı ortama (örneğin, çözücü banyosu) iletir, burada alternatif yüksek basınç / düşük basınç döngüleri nedeniyle dakika vakum kabarcıkları ortaya çıkar. Bu vakum kabarcıkları, daha fazla enerji ememeyecekleri bir boyuta ulaşana kadar birkaç döngü boyunca büyür. Bu noktada, baloncuklar şiddetli bir şekilde patlar. Kabarcık patlaması, 280m/s hıza kadar sıvı jetleri, yoğun türbülanslar, çok yüksek sıcaklıklar (yaklaşık 5.000K), basınçlar (yaklaşık 2.000atm) ve buna bağlı olarak sıcaklık ve basınç farkları ile yerel olarak oldukça enerji yoğun bir ortam oluşturur.
Ultrasonik olarak indüklenen kabarcık patlamasının bu fenomeni, akustik kavitasyon olarak bilinir. Akustik kavitasyonun etkileri, aktif malzemenin kompozit filmini, her iki tarafı kompozit film ile kaplanmış olan folyo akım toplayıcısından çıkarır. aktif madde çoğunlukla lityum manganez oksit (LMO) ve lityum nikel manganez kobalt oksit (LiNiMnCoO2 veya NMC) tozu karışımının yanı sıra iletken katkı maddesi olarak karbon siyahı içerir.
Ultrasonik delaminasyon mekanizması, moleküler bağları kırabilen fiziksel kuvvetlere dayanır. Güç ultrasonunun yoğunluğu nedeniyle, aktif madde katmanlarını folyodan veya akım toplayıcıdan çıkarmak için genellikle daha hafif çözücüler yeterlidir. Bu nedenle, elektrotun ultrasonik delaminasyonu daha hızlı, çevre dostu ve önemli ölçüde daha az enerji yoğundur.

Ultrasonik delaminasyon üzerine elektrot aktif malzemedeki morfolojik değişiklikleri gösteren taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri. Tüm görüntüler 5000x büyütme ve 10 kV uyarma enerjisinde çekilmiştir. a) katot malzemesi ön delaminasyonu, b) delamine edilmiş katot aktif malzeme, c) anot malzemesi ön delaminasyonu ve d) delamine anot malzemesi.
(çalışma ve resimler: Lei ve ark., 2021)

Pil parçalama ve elektrot ayırma

Aktif maddenin geri kazanımı için, metal folyoyu, polimer bağlayıcıyı ve/veya aktif malzemeyi çözmek için sulu veya organik çözücüler kullanılır. Proses tasarımı ve akış, malzeme geri kazanımının nihai sonucunu önemli ölçüde etkiler. Geleneksel pil geri dönüşüm süreci, pil modüllerinin parçalanmasını içerir. Bununla birlikte, parçalanmış bileşenlerin tek tek bileşenlere ayrılması zordur. Parçalanmış kütleden aktif/değerli malzeme elde etmek için karmaşık işlemler gerektirir. Geri kazanılan aktif malzemeleri yeniden kullanmak için belirli bir saflık derecesi gereklidir. Parçalanmış pil yığınından yüksek saflıkta malzemeler elde etmek karmaşık süreçler, sert çözücüler içerir ve bu nedenle pahalıdır. Ultrasonik liç, parçalanmış lityum iyon pillerden aktif madde geri kazanımının sonuçlarını yoğunlaştırmak ve geliştirmek için başarıyla kullanılır.
Geleneksel parçalamaya alternatif bir işlem olarak, elektrot ayırma, elde edilen malzemelerin saflığını önemli ölçüde artırabilen etkili pil geri dönüşüm işlemi olarak gösterilmiştir. Elektrot ayırma işlemi için pil, ana bileşenlerine demonte edilir. Elektrotlar değerli malzemenin en büyük payını içerdiğinden, elektrot ayrılır ve aktif malzemeleri (lityum, nikel, manganez, kobalt ...) kaplanmış folyo veya akım toplayıcıdan çözmek için kimyasal olarak işlenir. Ultrasonikasyon, akustik kavitasyonun neden olduğu yoğun etkileri ile bilinir. Sonomekanik kuvvetler, folyo üzerine katmanlanan aktif malzemeleri çıkarmak için yeterli salınım ve kesme uygular. (Kaplanmış bir folyonun yapısı bir sandviçe benzer, merkezdeki folyo ve aktif malzeme tabakası dış yüzeyi oluşturur.)
Elektrot ayırma, otonom sökme ile birlikte kullanıldığında parçalamadan daha uygun bir seçenek haline getirecek ve daha saf atık akışlarına ve tedarikte daha fazla değer tutulmasına olanak sağlayacaktır

Elektrot Delaminasyonu için Ultrasonik Sonotrodlar

Aktif malzemeleri elektrot folyosundan çıkarmak için gerekli genliği sağlayan özel sonotrodlar kolayca temin edilebilir. Sonotrot ve elektrot arasındaki mesafe arttıkça akustik kavitasyonun yoğunluğu azaldığından, sonotrot ve elektrot arasında sürekli olarak düzgün bir mesafe olumludur. Bu, elektrot tabakasının, basınç dalgalarının güçlü olduğu ve kavitasyon yoğunluğunun yüksek olduğu sonotrot ucunun altına yakın bir şekilde hareket ettirilmesi gerektiği anlamına gelir. Standart silindirik ultrasonik probdan daha geniş bir genişlik sunan özel sonotrodlar ile Hielscher Ultrasonics, elektrikli araçlardan elektrot tabakalarının düzgün bir şekilde delaminasyonu için etkili bir çözüm sunar. Örneğin, kese hücreli elektrikli araç (EV) pillerinde kullanılan elektrotlar tipik olarak yaklaşık 20 cm genişliğe sahiptir. Aynı genişlikte bir sonotrot, akustik kavitasyonu tüm elektrot yüzeyinde eşit olarak iletir. Böylece, saniyeler içinde aktif madde katmanları çözücüye salınır ve ekstrakte edilebilir ve toz haline getirilebilir. Bu toz, yeni pillerin üretimi için yeniden kullanılabilir.
İngiltere'nin Faraday Enstitüsü'nün araştırma ekibi, aktif madde katmanlarının LIB elektrotundan çıkarılmasının, elektrot doğrudan yüksek güçlü bir sonotrotun altına yerleştirildiğinde 10 saniyeden daha kısa sürede tamamlanabileceğini bildirmektedir (1000 ila 2000 W, örn. UIP1000hdT veya UIP2000hdT). Ultrasonik işlem sırasında, aktif malzemeler ve akım toplayıcılar arasındaki yapışkan bağlar kopar, böylece bir sonraki saflaştırma adımında sağlam bir akım toplayıcı ve toz haline getirilmiş aktif malzeme geri kazanılabilir.

Ultrasonun arka tarafındaki etkisini gösteren görüntüler: a) lityum iyon pil anot levhası ve b) lityum iyon pil katot levhası. Anot, 0.05 M sitrik asit çözeltisi içinde delamine edildi; katot, 0.1 M NaOH'lik bir çözelti içinde delamine edildi. Sonotrotun çapı 20 mm idi ve sonotrottan 2,5 mm uzakta 3 saniye boyunca 120 W/cm2 güç yoğunluğu uygulandı. Örneklem büyüklüğü 3 cm x 3 cm idi.
(çalışma ve resimler: Lei ve ark., 2021)

Elektrot Delaminasyonu için Ultrasonikatörler

Hielscher Ultrasonics, 20kHz aralığında çalışan yüksek performanslı ultrasonik işlemcileri tasarlar, üretir ve dağıtır. Hielscher Ultrasonik’ Endüstriyel ultrasonicators, zorlu uygulamalar için çok yüksek genlikler sağlayabilen yüksek güçlü ultrason işlemcileridir. 200μm'ye kadar genlikler, 7/24 çalışmada kolayca sürekli olarak çalıştırılabilir. Daha da yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodlar mevcuttur. Elektrotların sürekli delaminasyon işlemi için, Hielscher bir dizi standart ve özelleştirilmiş sonotrod sunar. Sonotrot boyutu, elektrot malzemesinin boyutuna ve genişliğine uyarlanabilir, böylece yüksek verim ve üstün geri kazanım için optimum işlem koşullarını hedefler.

Literatür / Referanslar