Переробка електродів – Висока ефективність з ультразвуковим розшаруванням

Ультразвукове розшарування електродів дозволяє за лічені секунди відновлювати активні матеріали, такі як літій, нікель, марганець, кобальт тощо. Таким чином, ультразвукове розшарування електродів робить відновлення багаторазових матеріалів з акумуляторів швидшим, екологічним та значно менш енерговитратним. Дослідження вже довели, що ультразвукове розшарування може відбуватися в 100 разів швидше, ніж звичайні методи переробки.

Потужний ультразвук покращує відновлення активних речовин з електродів

Ультразвукове розшарування електродів забезпечує швидкий, ефективний і стійкий підхід до відновлення активних матеріалів і фольги. Ці частини електрода є цінними матеріалами, які можуть бути використані повторно для виготовлення нових акумуляторів. Ультразвукове розшарування не тільки значно енергоефективніше, ніж гідрометалургійні та пірометалургійні процеси переробки, вони також дають матеріали більш високої чистоти.

Переробка акумуляторів: розділення та розшарування електродів

Переробка літій-іонних акумуляторів (LIB) спрямована на відновлення цінних матеріалів. Електроди містять дорогоцінні та рідкісні матеріали, такі як літій, нікель, марганець, кобальт тощо, які можна ефективно відновити за допомогою безперервного ультразвукового процесу розшарування. Ультразвукові процесори, оснащені зондом (сонотроде), можуть створювати інтенсивні амплітуди. Амплітуда передає ультразвукові хвилі в рідке середовище (наприклад, ванну з розчинником), де через чергування циклів високого / низького тиску виникають хвилинні вакуумні бульбашки. Ці вакуумні бульбашки ростуть протягом декількох циклів, поки не досягнуть розміру, при якому вони не зможуть поглинути подальшу енергію. У цей момент бульбашки сильно вибухають. Імплозія бульбашки локально створює високоенергетично щільне середовище зі швидкістю рідини до 280 м/с, інтенсивними турбулентностями, дуже високими температурами (приблизно 5 000 К), тиском (приблизно 2 000 атм) і, відповідно, різницею температур і тиску.
Це явище ультразвуково індукованої імплозії бульбашок відоме як акустична кавітація. Ефекти акустичної кавітації видаляють композитну плівку з активного матеріалу з фольгованого струмоприймача, який покритий з двох сторін композитною плівкою. активний матеріал містить переважно суміш порошку оксиду літію-марганцю (LMO) та літію, нікелю, марганцю, оксиду кобальту (LiNiMnCoO2 або NMC), а також сажу як провідну добавку.
Механізм ультразвукового розшарування заснований на фізичних силах, які здатні розірвати молекулярні зв'язки. У зв'язку з інтенсивністю потужності ультразвуку часто для зняття шарів активного матеріалу з фольги або струмоприймача досить більш м'яких розчинників. Таким чином, ультразвукове розшарування електрода є швидшим, екологічно чистим і значно менш енерговитратним.

Зображення за допомогою скануючої електронної мікроскопії (СЕМ), що показують морфологічні зміни активного матеріалу електрода після ультразвукового розшарування. Всі знімки були зроблені при 5000-кратному збільшенні і енергії збудження 10 кВ. а) попереднє розшарування катодного матеріалу, б) активний матеріал катода, в) попереднє розшарування анодного матеріалу та г) розшарований анодний матеріал.
(дослідження та ілюстрації: Lei та ін., 2021)

Подрібнення батареї проти розділення електродів

Для відновлення активного матеріалу використовуються водні або органічні розчинники для розчинення металевої фольги, полімерного сполучного та/або активного матеріалу. Конструкція процесу та потік суттєво впливають на кінцевий результат відновлення матеріалу. Традиційний процес переробки акумуляторів передбачає подрібнення акумуляторних модулів. Однак подрібнені компоненти складно розділити на окремі компоненти. Він вимагає складної обробки з метою отримання активного/цінного матеріалу з подрібненої маси. Для повторного використання відновлених активних матеріалів необхідний певний ступінь чистоти. Отримання високочистих матеріалів із подрібнених акумуляторів пов'язане зі складними процесами, агресивними розчинниками і, отже, є дорогим. Ультразвукове вилуговування успішно використовується для інтенсифікації та посилення результатів активного вилучення матеріалу з подрібнених літій-іонних акумуляторів.
Як альтернативний процес традиційному подрібненню, розділення електродів було показано як ефективний процес переробки батарей, який може значно покращити чистоту отриманих матеріалів. Для процесу поділу електродів батарея розбирається на основні компоненти. Оскільки електроди містять найбільшу частку цінного матеріалу, електрод відокремлюють і обробляють хімічним способом для розчинення активних матеріалів (літій, нікель, марганець, кобальт ...) з покритої фольги або струмоприймача. Ультразвук добре відомий своїм інтенсивним впливом, викликаним акустичною кавітацією. Сономеханічні сили прикладають достатнє коливання та зсув, щоб видалити активні матеріали, які нашаровуються на фольгу. (Структура фольги з покриттям схожа на сендвіч, фольга в центрі та активний шар матеріалу побудовані зовнішньою поверхнею.)
Розділення електродів стане більш життєздатним варіантом, ніж подрібнення, якщо використовувати його в поєднанні з автономним розбиранням, що дозволяє отримувати чистіші потоки відходів і краще зберігати цінність у джерелі живлення

Ультразвукові сонотроди для розшарування електродів

Спеціальні сонотроди, що видають необхідну амплітуду для видалення активних речовин з електродної фольги, легко доступні. Оскільки інтенсивність акустичної кавітації зменшується зі збільшенням відстані між сонотродом і електродом, то безперервно рівномірна відстань між сонотродом і електродом є сприятливою. Це означає, що лист електрода слід переміщати впритул під наконечником сонотроде, де хвилі тиску сильні, а щільність кавітації висока. Завдяки спеціальним сонотродам, що пропонують ширшу ширину, ніж стандартний циліндричний ультразвуковий зонд, Hielscher Ultrasonics пропонує ефективне рішення для рівномірного розшарування листів електродів з електромобілів. Наприклад, електроди, які використовуються в акумуляторах електромобілів (EV) з мішечними елементами, зазвичай мають ширину приблизно 20 см. Сонотрод однакової ширини передає акустичну кавітацію рівномірно по всій поверхні електрода. Таким чином, за лічені секунди шари активного матеріалу вивільняються в розчинник, і їх можна екстрагувати та очищати в порошок. Цей порошок може бути повторно використаний для виробництва нових акумуляторів.
Дослідницька група британського Інституту Фарадея повідомляє, що видалення активних шарів матеріалу з електрода LIB може бути завершено менш ніж за 10 с, якщо електрод розташований безпосередньо під сонотродом високої потужності (від 1000 до 2000 Вт, наприклад). UIP1000HDT або UIP2000HDT). Під час ультразвукової обробки адгезійні зв'язки між активними матеріалами та струмоприймачами розриваються, щоб на наступному етапі очищення можна було відновити неушкоджений струмоприймач і порошкоподібний активний матеріал.

Зображення, що показують вплив ультразвуку на тильній стороні: а) анодного листа літій-іонного акумулятора та б) катодного листа літій-іонного акумулятора. Анод розшаровують в розчині 0,05 М лимонної кислоти; катод розшаровували в розчині 0,1 М NaOH. Сонотрод мав діаметр 20 мм, з інтенсивністю потужності 120 Вт/см2, що застосовувався протягом 3 секунд, на відстані 2,5 мм від сонотроде. Розмір вибірки становив 3 см х 3 см.
(дослідження та ілюстрації: Lei та ін., 2021)

Ультразвукові апарати для розшарування електродів

Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та розповсюджує високопродуктивні ультразвукові процесори, які працюють у діапазоні 20 кГц. Ультразвук Hielscher’ Промислові ультразвукові процесори – це потужні ультразвукові процесори, які можуть видавати дуже високі амплітуди для вимогливих застосувань. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Для безперервного процесу розшарування електродів компанія Hielscher пропонує ряд стандартних, а також індивідуальних сонотроде. Розмір сонотроду можна адаптувати до розміру та ширини матеріалу електрода, тим самим націлюючись на оптимальні умови процесу для високої пропускної здатності та чудового відновлення.

Література / Список літератури