Elektrot Geri Dönüşümü – Ultrasonik Delaminasyon ile Yüksek Verimlilik

Elektrotların ultrasonik delaminasyonu, lityum, nikel, manganez, kobalt vb. aktif malzemelerin saniyeler içinde geri kazanılmasına olanak tanır. Böylece ultrasonik elektrot delaminasyonu, yeniden kullanılabilir malzemelerin bataryalardan geri kazanılmasını daha hızlı, çevreci ve önemli ölçüde daha az enerji gerektiren bir süreç hâline getirir. Araştırmalar, ultrasonik delaminasyonun geleneksel geri dönüşüm tekniklerinden 100 kat daha hızlı olabileceğini zaten kanıtlamıştır.

Güç Ultrasonu, Elektrotlardan Aktif Malzemelerin Geri Kazanımını İyileştirir

Elektrotların ultrasonik destekli delaminasyonu, aktif malzemelerin ve folyonun geri kazanılması için hızlı, verimli ve sürdürülebilir bir yaklaşım sunar. Elektrodun bu kısımları, yeni bataryaların üretiminde yeniden kullanılabilecek değerli malzemelerdir. Ultrasonik delaminasyon, hidrometalurjik ve pirometalurjik geri dönüşüm süreçlerine göre önemli ölçüde daha yüksek enerji verimliliği sunmanın yanı sıra daha yüksek saflıkta malzemeler de elde edilmesini sağlar.

Batarya Geri Dönüşümü: Elektrot Ayırma ve Delaminasyon

Lityum iyon batarya (LIB) geri dönüşümü, değerli malzemeleri geri kazanmayı amaçlar. Elektrotlar, sürekli bir ultrasonik delaminasyon süreciyle verimli bir şekilde geri kazanılabilen lityum, nikel, manganez, kobalt vb. değerli ve nadir malzemeler içerir. Bir probla (sonotrot) donatılmış ultrasonik işlemciler yüksek genlikler oluşturabilir. Genlik, ultrason dalgalarını sıvı ortama (ör. çözücü banyosu) iletir; burada dönüşümlü yüksek basınç / düşük basınç döngüleri nedeniyle çok küçük vakum kabarcıkları oluşur. Bu vakum kabarcıkları, daha fazla enerji soğuramayacakları bir boyuta ulaşana kadar birkaç döngü boyunca büyür. Bu noktada kabarcıklar şiddetle içe doğru çöker. Kabarcıkların içe doğru çökmesi, yerel olarak 280m/s’ye kadar hızlara sahip sıvı jetleri, yoğun türbülanslar, çok yüksek sıcaklıklar (yaklaşık 5.000K), basınçlar (yaklaşık 2.000atm) ve bunlara bağlı sıcaklık ve basınç farkları içeren, enerji yoğunluğu çok yüksek bir ortam oluşturur.
Ultrasonik olarak indüklenen bu kabarcık çökmesi olgusu, akustik kavitasyon olarak bilinir. Akustik kavitasyonun etkileri, aktif malzemenin kompozit filmini her iki tarafı bu kompozit filmle kaplanmış folyo akım toplayıcısından uzaklaştırır. Aktif malzeme çoğunlukla lityum manganez oksit (LMO) ve lityum nikel manganez kobalt oksit (LiNiMnCoO2 veya NMC) tozlarının karışımını ve iletken katkı maddesi olarak karbon siyahını içerir.
Ultrasonik delaminasyonun mekanizması, moleküler bağları kırabilen fiziksel kuvvetlere dayanır. Güç ultrasonunun yoğunluğu nedeniyle, aktif malzeme katmanlarını folyodan veya akım toplayıcısından uzaklaştırmak için çoğu zaman daha hafif çözücüler yeterlidir. Böylece elektrodun ultrasonik delaminasyonu daha hızlı, çevre dostu ve önemli ölçüde daha az enerji gerektiren bir süreçtir.

Ultrasonik delaminasyon sırasında elektrot aktif malzemesinde meydana gelen morfolojik değişiklikleri gösteren taramalı elektron mikroskopisi (SEM) görüntüleri. Tüm görüntüler 5000x büyütmede ve 10 kV uyarma enerjisinde alınmıştır. a) delaminasyon öncesi katot malzemesi, b) delamine edilmiş katot aktif malzemesi, c) delaminasyon öncesi anot malzemesi ve d) delamine edilmiş anot malzemesi.
(çalışma ve görseller: Lei et al., 2021)

Batarya Parçalama ve Elektrot Ayırma Karşılaştırması

Aktif malzemenin geri kazanılması için metal folyoyu, polimer bağlayıcıyı ve/veya aktif malzemeyi çözmek üzere sulu veya organik çözücüler kullanılır. Süreç tasarımı ve akışı, malzeme geri kazanımının nihai sonucunu önemli ölçüde etkiler. Geleneksel batarya geri dönüşüm süreci, batarya modüllerinin parçalanmasını içerir. Ancak parçalanmış bileşenlerin tek tek bileşenlere ayrılması zordur. Parçalanmış kütleden aktif/değerli malzeme elde etmek için karmaşık işlemler gerekir. Geri kazanılan aktif malzemelerin yeniden kullanılabilmesi için belirli bir saflık derecesi gereklidir. Parçalanmış batarya kütlesinden yüksek saflıkta malzemelerin geri kazanılması karmaşık süreçler ve sert çözücüler gerektirir ve bu nedenle pahalıdır. Ultrasonik liç, parçalanmış lityum iyon bataryalardan aktif malzeme geri kazanımını yoğunlaştırmak ve sonuçlarını iyileştirmek için başarıyla kullanılmaktadır.
Geleneksel parçalamaya alternatif bir süreç olarak elektrot ayırmanın, elde edilen malzemelerin saflığını önemli ölçüde artırabilen etkili bir batarya geri dönüşüm süreci olduğu gösterilmiştir. Elektrot ayırma sürecinde batarya, ana bileşenlerine sökülür. Elektrotlar değerli malzemenin en büyük payını içerdiğinden, elektrot ayrılır ve aktif malzemeleri (lityum, nikel, manganez, kobalt …) kaplanmış folyodan veya akım toplayıcısından çözerek uzaklaştırmak için kimyasal işleme tabi tutulur. Sonikasyon, akustik kavitasyonun neden olduğu yoğun etkileriyle iyi bilinir. Sonomekanik kuvvetler, folyo üzerine katmanlar hâlinde yerleştirilmiş aktif malzemeleri uzaklaştırmak için yeterli salınım ve kesme uygular. (Kaplanmış bir folyonun yapısı sandviçe benzer; folyo merkezde yer alır ve aktif malzeme katmanı dış yüzeyi oluşturur.)
Elektrot ayırma, otonom sökümle birlikte uygulandığında daha saf atık akışlarına ve tedarikte değerin daha fazla korunmasına olanak tanıyarak parçalamaya göre daha uygulanabilir bir seçenek olabilir.

Elektrot Delaminasyonu için Ultrasonik Sonotrotlar

Aktif malzemeleri elektrot folyosundan uzaklaştırmak için gereken genliği sağlayan özel sonotrotlar kolaylıkla temin edilebilir. Sonotrot ile elektrot arasındaki mesafe arttıkça akustik kavitasyonun yoğunluğu azaldığından, sonotrot ile elektrot arasındaki mesafenin sürekli sabit tutulması avantajlıdır. Bu, elektrot levhasının basınç dalgalarının güçlü ve kavitasyon yoğunluğunun yüksek olduğu sonotrot ucunun hemen altından geçirilmesi gerektiği anlamına gelir. Hielscher Ultrasonics, standart silindirik ultrasonik probdan daha geniş özel sonotrotlarla elektrikli araçların elektrot levhalarının homojen delaminasyonu için verimli bir çözüm sunar. Örneğin elektrikli araçların (EV) poşet hücreli bataryalarında kullanılan elektrotlar tipik olarak yaklaşık 20 cm genişliğindedir. Aynı genişlikte bir sonotrot, akustik kavitasyonu elektrot yüzeyinin tamamına homojen biçimde iletir. Böylece aktif malzeme katmanları saniyeler içinde çözücüye geçer ve ayrıştırılıp saflaştırılarak toz hâline getirilebilir. Bu toz, yeni bataryaların üretiminde yeniden kullanılabilir.
Birleşik Krallık’taki Faraday Institution araştırma ekibi, LIB elektrodundan aktif malzeme katmanlarının uzaklaştırılmasının 10 s’den kısa sürede tamamlanabileceğini bildirmektedir; bu, elektrot doğrudan yüksek güçlü bir sonotrodun (1000–2000 W, ör. UIP1000hdT veya UIP2000hdT) hemen altında bulunduğunda geçerlidir. Ultrasonik işlem sırasında aktif malzemeler ile akım toplayıcıları arasındaki yapışma bağları kırılır; böylece sonraki bir saflaştırma adımında bütünlüğünü koruyan bir akım toplayıcısı ve toz hâlinde aktif malzeme geri kazanılabilir.

Ultrasonun a) lityum iyon batarya anot levhasının ve b) lityum iyon batarya katot levhasının arka yüzü üzerindeki etkisini gösteren görüntüler. Anot, 0,05 M sitrik asit çözeltisinde; katot ise 0,1 M NaOH çözeltisinde delamine edilmiştir. Sonotrodun çapı 20 mm olup, sonotroda 2,5 mm mesafede 3 saniye boyunca 120 W/cm2 güç yoğunluğu uygulanmıştır. Numune boyutu 3 cm x 3 cm idi.
(çalışma ve görseller: Lei et al., 2021)

Elektrot Delaminasyonu için Sonikatörler

Hielscher Ultrasonics, 20kHz aralığında çalışan yüksek performanslı ultrasonik işlemciler tasarlar, üretir ve dağıtır. Hielscher Ultrasonics endüstriyel sonikatörleri, zorlu uygulamalar için çok yüksek genlikler sağlayabilen yüksek güçlü ultrason işlemcileridir. 200µm’ye kadar genliklerde, 24/7 işletimde kolaylıkla kesintisiz çalışılabilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur. Elektrotların sürekli delaminasyon süreci için Hielscher, standart sonotrotların yanı sıra özel olarak uyarlanmış çeşitli sonotrotlar da sunar. Sonotrot boyutu, elektrot malzemesinin boyutuna ve genişliğine uyarlanabilir; böylece yüksek işleme kapasitesi ve üstün geri kazanım için optimum süreç koşulları hedeflenir.

Literatür / Kaynaklar

• 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.