Рециклінг електродів – надзвичайно ефективний за допомогою ультразвукової деламінації
Ультразвукова деламінація електродів дозволяє відновлювати активні матеріали, такі як літій, нікель, марганець, кобальт тощо, за лічені секунди. Таким чином, ультразвукова деламінація електродів робить відновлення придатних для повторного використання матеріалів з батарей швидшим, екологічнішим та значно менш енергоємним. Дослідження вже довели, що ультразвукова деламінація може бути в 100 разів швидшою за традиційні техніки рециклінгу.
Потужний ультразвук покращує відновлення активних матеріалів з електродів
Ультразвуково-асистована деламінація електродів пропонує швидкий, ефективний та сталий підхід до відновлення активних матеріалів та фольги. Ці частини електрода є цінними матеріалами, які можна повторно використовувати для виробництва нових батарей. Ультразвукова деламінація не лише значно більш енергоефективна, ніж гідрометалургійні та пірометалургійні процеси рециклінгу, вона також забезпечує отримання матеріалів вищої чистоти.
- Швидкість (виконується за лічені секунди)
- Легкість впровадження
- Адаптивність до розмірів електродів
- Екологічність
- Економічність
- Безпека
Ультразвуковий процесор із сонотродом для деламінації електродів. Ультразвукова деламінація електродів робить відновлення придатних для повторного використання матеріалів з батарей швидшим, екологічнішим та значно менш енергоємним.
Рециклінг батарей: розділення електродів та деламінація
Рециклінг літій-іонних батарей (LIB) спрямований на відновлення цінних матеріалів. Електроди містять дорогоцінні та рідкісні матеріали, такі як літій, нікель, марганець, кобальт тощо, які можна ефективно відновити, використовуючи безперервний процес ультразвукової деламінації. Ультразвукові процесори, обладнані зондом (сонотродом), можуть створювати інтенсивні амплітуди. Амплітуда передає ультразвукові хвилі в рідке середовище (наприклад, ванну з розчинником), де внаслідок чергування циклів високого / низького тиску утворюються крихітні вакуумні бульбашки. Ці вакуумні бульбашки зростають протягом кількох циклів, доки не досягнуть розміру, за якого вони не можуть поглинати подальшу енергію. У цей момент бульбашки імплідують (лопаються) з великою силою. Імплосія бульбашки локально генерує середовище з високою щільністю енергії, що характеризується рідкими струменями зі швидкістю до 280m/s, інтенсивною турбулентністю, дуже високими температурами (прибл. 5 000K), тисками (прибл. 2 000atm) та відповідними перепадами температури й тиску.
Це явище ультразвуково-індукованої імплосії бульбашок відоме як акустична кавітація. Ефекти акустичної кавітації видаляють композитну плівку з активним матеріалом з струмоприймача (фольги), який вкритий композитною плівкою з обох боків. Активний матеріал переважно містить суміш оксиду літію-марганцю (LMO) та оксиду літію-нікелю-марганцю-кобальту (LiNiMnCoO2 або NMC) у вигляді порошку, а також технічний вуглець як провідну добавку.
Механізм ультразвукової деламінації базується на фізичних силах, здатних розривати молекулярні зв’язки. Через інтенсивність потужного ультразвуку часто достатньо м’якших розчинників для видалення шарів активного матеріалу з фольги або струмоприймача. Таким чином, ультразвукова деламінація електродів є швидшою, екологічнішою та значно менш енергоємною.
Зображення скануючої електронної мікроскопії (SEM), що демонструють морфологічні зміни активного матеріалу електрода після ультразвукової деламінації. Усі зображення зроблені при 5000x збільшенні та енергії збудження 10 kV. a) катодний матеріал до деламінації, b) деламінований активний матеріал катода, c) анодний матеріал до деламінації та d) деламінований анодний матеріал.
(дослідження та зображення: Lei et al., 2021)
Шредерне подрібнення батарей проти розділення електродів
Для відновлення активного матеріалу використовують водні або органічні розчинники для розчинення металевої фольги, полімерного в’яжучого та/або активного матеріалу. Конструкція процесу та потік суттєво впливають на кінцевий результат відновлення матеріалу. Традиційний процес переробки батарей включає подрібнення батарейних модулів. Однак подрібнені компоненти важко розділити на окремі частини. Це вимагає складної обробки для отримання активного/цінного матеріалу з подрібненої маси. Для повторного використання відновлених активних матеріалів необхідний певний ступінь чистоти. Отримання високочистих матеріалів з подрібненої маси батарей включає складні процеси, жорсткі розчинники і тому є дорогим. Ультразвукове вилуговування успішно використовується для інтенсифікації та покращення результатів відновлення активного матеріалу з подрібнених літій-іонних батарей.
Як альтернативний процес до традиційного подрібнення, розділення електродів було показано як ефективний процес переробки батарей, який може значно покращити чистоту отриманих матеріалів. Для процесу розділення електродів батарею розбирають на її основні компоненти. Оскільки електроди містять найбільшу частку цінного матеріалу, електрод відокремлюють і хімічно обробляють для розчинення активних матеріалів (літію, нікелю, марганцю, кобальту …) з покритої фольги або струмознімача. Ультразвукова обробка відома своїми інтенсивними ефектами, спричиненими акустичною кавітацією. Сономеханічні сили створюють достатню осциляцію та зсув для видалення активних матеріалів, які нанесені на фольгу. (Структура покритої фольги подібна до сендвіча: фольга в центрі, а шар активного матеріалу утворює зовнішню поверхню.)
розділення електродів стало б більш життєздатним варіантом, ніж подрібнення, якщо використовувати його в поєднанні з автономним розбиранням, що дозволяє отримати більш чисті потоки відходів і зберегти більшу вартість у ланцюзі постачання
Ультразвуковий обробник UIP2000hdT є потужним процесором на 2000 ватів для деламінації електродів, що робить переробку батарей швидшою, ефективнішою та більш екологічно безпечною.
Ультразвукові сонотроди для розшарування електродів
Спеціальні сонотроди, що забезпечують необхідну амплітуду для видалення активних матеріалів з електродної фольги, легко доступні. Оскільки інтенсивність акустичної кавітації зменшується зі збільшенням відстані між сонотродом та електродом, безперервно рівномірна відстань між сонотродом та електродом є сприятливою. Це означає, що лист електрода слід переміщувати безпосередньо під кінчиком сонотрода, де хвилі тиску сильні, а щільність кавітації висока. Завдяки спеціальним сонотродам, які мають ширшу площу, ніж стандартний циліндричний ультразвуковий зонд, Hielscher Ultrasonics пропонує ефективне рішення для рівномірного розшарування електродних листів з електромобілів. Наприклад, електроди, що використовуються в батареях електромобілів (EV) з м’якими комірками (pouch cell), зазвичай мають ширину приблизно 20 cm. Сонотрод такої ж ширини передає акустичну кавітацію рівномірно по всій поверхні електрода. Таким чином, протягом секунд шари активного матеріалу вивільняються в розчинник і можуть бути екстраговані та очищені до порошку. Цей порошок можна повторно використовувати для виробництва нових батарей.
Дослідницька група Faraday Institution у Великій Британії повідомляє, що видалення шарів активного матеріалу з електрода LIB можна завершити менш ніж за 10 s, коли електрод розташований безпосередньо під високосильним сонотродом (1000 до 2000 W, наприклад UIP1000hdT або UIP2000hdT). Під час ультразвукової обробки адгезійні зв’язки між активними матеріалами та струмознімачами руйнуються, так що на наступному етапі очищення можна відновити цілий струмознімач і порошковий активний матеріал.
Зображення, що демонструють вплив ультразвуку на задню сторону: a) листа анода літій-іонного акумулятора та b) листа катода літій-іонного акумулятора. Анод був деламінований у розчині 0,05 M лимонної кислоти; катод був деламінований у розчині 0,1 M NaOH. Діаметр сонотрода становив 20 mm, інтенсивність потужності 120 W/cm2 застосовувалася протягом 3 seconds на відстані 2,5 mm від сонотрода. Розмір зразка становив 3 cm x 3 cm.
(дослідження та зображення: Lei et al., 2021)
Ультразвукові обробники для деламінації електродів
Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та постачає високоефективні ультразвукові процесори, які працюють у діапазоні 20kHz. Промислові ультразвукові обробники Hielscher Ultrasonics – це високоефективні ультразвукові процесори, які можуть забезпечувати дуже високі амплітуди для складних застосувань. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати в режимі безперервної роботи 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Для процесу безперервної деламінації електродів Hielscher пропонує стандартні та індивідуальні сонотроди. Розмір сонотрода можна адаптувати до розміру та ширини матеріалу електрода, забезпечуючи оптимальні умови процесу для високої продуктивності та відмінного відновлення.
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Література / Посилання
- 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.
На зображенні показано мідну фольгу, з якої шари графіту та активного матеріалу були видалені в результаті ультразвукової обробки тривалістю кілька секунд. Відновлені компоненти знаходяться в розчині високої чистоти, а отриманий струмоприймач є чистою міддю.
(Зображення та дослідження: Faraday Institution, University of Birmingham, University of Leicester)
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори від лабораторного до промислового розміру.