Elektrodlarni qayta ishlash – ultratovush yordamida qatlamlarni ajratish bilan yuqori samaradorlik

Elektrod qatlamlarini ultratovush yordamida ajratish litiy, nikel, marganes, kobalt va boshqa faol materiallarni bir necha soniya ichida qayta olish imkonini beradi. Shu tariqa elektrod qatlamlarini ultratovush yordamida ajratish batareyalardan qayta foydalanish mumkin boʻlgan materiallarni qayta olishni tezroq, ekologik toza va sezilarli darajada kam energiya talab qiladigan jarayonga aylantiradi. Tadqiqotlar ultratovush yordamida qatlamlarni ajratish anʼanaviy qayta ishlash usullaridan 100 baravar tezroq boʻlishi mumkinligini allaqachon isbotlagan.

Yuqori quvvatli ultratovush elektrodlardan faol materiallarni qayta olishni yaxshilaydi

Elektrod qatlamlarini ultratovush yordamida ajratish faol materiallar va folgani qayta olishning tezkor, samarali va barqaror usulini taqdim etadi. Elektrodning bu qismlari yangi batareyalar ishlab chiqarishda qayta foydalanish mumkin boʻlgan qimmatli materiallardir. Ultratovush yordamida qatlamlarni ajratish gidrometallurgik va pirometallurgik qayta ishlash jarayonlariga qaraganda nafaqat sezilarli darajada yuqori energiya samaradorligiga ega, balki tozalik darajasi yuqoriroq materiallarni ham beradi.

Batareyalarni qayta ishlash: elektrodlarni ajratib olish va qatlamlarini ajratish

Litiy-ion batareyalarni (LIB) qayta ishlashning maqsadi qimmatli materiallarni qayta olishdir. Elektrodlar tarkibida litiy, nikel, marganes, kobalt va boshqa qimmatbaho hamda noyob materiallar mavjud boʻlib, ularni uzluksiz ultratovush yordamida qatlamlarni ajratish jarayoni orqali samarali qayta olish mumkin. Zond (sonotrod) bilan jihozlangan ultratovush protsessorlari katta amplitudalarni hosil qila oladi. Amplituda ultratovush toʻlqinlarini suyuq muhitga (masalan, erituvchi vannasiga) uzatadi; bu yerda almashinib turuvchi yuqori bosim / past bosim sikllari tufayli juda mayda vakuum pufakchalari paydo boʻladi. Ushbu vakuum pufakchalari bir necha sikl davomida oʻsib, boshqa energiya yuta olmaydigan oʻlchamga yetadi. Shu paytda pufakchalar keskin ravishda ichkariga qulaydi. Pufakchalarning ichkariga qulashi mahalliy ravishda energiya zichligi juda yuqori boʻlgan muhitni hosil qiladi; bu muhitda tezligi 280m/s gacha boʻlgan suyuqlik oqimchalari, kuchli turbulentlik, juda yuqori haroratlar (taxminan 5 000K), bosimlar (taxminan 2 000atm) va shunga mos harorat hamda bosim farqlari yuzaga keladi.
Ultratovush taʼsirida yuzaga keladigan pufakchalarning ichkariga qulashi hodisasi akustik kavitatsiya deb ataladi. Akustik kavitatsiya taʼsiri faol materialning kompozit plyonkasini har ikki tomoni shu plyonka bilan qoplangan folgali tok kollektoridan olib tashlaydi. Faol material asosan litiy marganes oksidi (LMO) va litiy nikel marganes kobalt oksidi (LiNiMnCoO2 yoki NMC) kukunlari aralashmasidan hamda elektr oʻtkazuvchi qoʻshimcha sifatidagi texnik qurumdan iborat.
Ultratovush yordamida qatlamlarni ajratish mexanizmi molekulyar bogʻlarni uza oladigan fizik kuchlarga asoslanadi. Yuqori quvvatli ultratovushning intensivligi tufayli faol material qatlamlarini folga yoki tok kollektoridan olib tashlash uchun koʻpincha yumshoqroq taʼsir qiluvchi erituvchilar yetarli boʻladi. Shu tariqa elektrod qatlamlarini ultratovush yordamida ajratish tezroq, ekologik toza va sezilarli darajada kam energiya talab qiladi.

Ultratovush yordamida qatlamlarni ajratish natijasida elektrodning faol materialida yuz beradigan morfologik oʻzgarishlarni koʻrsatuvchi skanerlovchi elektron mikroskopiya (SEM) tasvirlari. Barcha tasvirlar 5000x kattalashtirish va 10 kV qoʻzgʻatish energiyasida olingan. a) qatlamlari ajratilishidan oldingi katod materiali, b) qatlamlari ajratilgan katod faol materiali, c) qatlamlari ajratilishidan oldingi anod materiali va d) qatlamlari ajratilgan anod materiali.
(tadqiqot va rasmlar: Lei et al., 2021)

Batareyalarni maydalash va elektrodlarni ajratib olishni taqqoslash

Faol materialni qayta olish uchun metall folga, polimer bogʻlovchi va/yoki faol materialni eritishda suvli yoki organik erituvchilar ishlatiladi. Jarayonning loyihasi va borishi materialni qayta olishning yakuniy natijasiga sezilarli taʼsir koʻrsatadi. Batareyalarni anʼanaviy qayta ishlash jarayoni batareya modullarini maydalashni oʻz ichiga oladi. Biroq maydalangan tarkibiy qismlarni alohida komponentlarga ajratish qiyin. Maydalangan massadan faol/qimmatli materialni olish uchun murakkab ishlov berish talab etiladi. Qayta olingan faol materiallardan qayta foydalanish uchun maʼlum bir tozalik darajasi zarur. Maydalangan batareya massasidan juda toza materiallarni olish murakkab jarayonlar va kuchli taʼsir qiluvchi erituvchilarni talab qiladi, shu sababli qimmatga tushadi. Maydalangan litiy-ion batareyalardan faol materialni qayta olish jarayonini jadallashtirish va uning natijalarini yaxshilash uchun ultratovush yordamida eritib ajratib olish muvaffaqiyatli qoʻllanilmoqda.
Anʼanaviy maydalashga muqobil jarayon sifatida elektrodlarni ajratib olish olingan materiallarning tozalik darajasini sezilarli oshirishi mumkin boʻlgan samarali batareya qayta ishlash jarayoni ekanligi koʻrsatilgan. Elektrodlarni ajratib olish jarayonida batareya asosiy tarkibiy qismlariga ajratiladi. Qimmatli materialning eng katta ulushi elektrodlarda boʻlgani uchun elektrod ajratib olinadi va qoplangan folga yoki tok kollektoridan faol materiallarni (litiy, nikel, marganes, kobalt …) eritib ajratish uchun kimyoviy ishlov beriladi. Ultratovush bilan ishlov berish akustik kavitatsiya tufayli yuzaga keladigan kuchli taʼsirlari bilan yaxshi maʼlum. Ultratovushning mexanik kuchlari folga ustiga qatlam qilib yotqizilgan faol materiallarni olib tashlash uchun yetarli tebranish va siljish hosil qiladi. (Qoplangan folganing tuzilishi sendvichga oʻxshaydi: folga markazda joylashadi, faol material qatlami esa tashqi sirtni hosil qiladi.)
Avtonom qismlarga ajratish bilan birgalikda qoʻllanilganda, elektrodlarni ajratib olish maydalashga qaraganda maqbulroq variant boʻlar edi va bu tozaroq chiqindi oqimlarini hamda taʼminotda qiymatning koʻproq saqlanishini taʼminlar edi

Elektrod qatlamlarini ajratish uchun ultratovush sonotrodlari

Elektrod folgasidan faol materiallarni olib tashlash uchun zarur amplitudani taʼminlaydigan maxsus sonotrodlar bemalol mavjud. Sonotrod va elektrod orasidagi masofa ortgani sari akustik kavitatsiya intensivligi kamayadi, shu sababli ular orasidagi masofani doimo bir xil saqlash maʼqul. Bu elektrod varagʻini sonotrod uchining ostidan unga yaqin masofada oʻtkazish kerakligini anglatadi; bu yerda bosim toʻlqinlari kuchli va kavitatsiya zichligi yuqori boʻladi. Standart silindrsimon ultratovush zondiga qaraganda kengroq maxsus sonotrodlar yordamida Hielscher Ultrasonics elektromobillardan olingan elektrod varaqlarining qatlamlarini bir tekis ajratish uchun samarali yechim taklif etadi. Masalan, elektromobillarning (EV) paketli elementlardan tashkil topgan batareyalarida ishlatiladigan elektrodlar odatda taxminan 20 cm kenglikka ega. Xuddi shu kenglikdagi sonotrod akustik kavitatsiyani elektrodning butun sirti boʻylab bir tekis uzatadi. Natijada bir necha soniya ichida faol material qatlamlari erituvchiga ajralib chiqadi va ularni ajratib olish hamda tozalab kukun holiga keltirish mumkin. Bu kukundan yangi batareyalar ishlab chiqarishda qayta foydalanish mumkin.
Buyuk Britaniyaning Faraday Institution tadqiqot jamoasi elektrod yuqori quvvatli sonotrodning bevosita ostiga joylashtirilganda LIB elektrodidan faol material qatlamlarini olib tashlash 10 s dan kam vaqtda yakunlanishi mumkinligini maʼlum qiladi (1000 dan 2000 W gacha, masalan, UIP1000hdT yoki UIP2000hdT). Ultratovush bilan ishlov berish davomida faol materiallar bilan tok kollektorlari orasidagi adgezion bogʻlar uziladi, natijada keyingi tozalash bosqichida shikastlanmagan tok kollektori va kukun holidagi faol materialni qayta olish mumkin.

Quyidagilarning orqa tomoniga ultratovush taʼsirini koʻrsatuvchi tasvirlar: a) litiy-ion batareyaning anod varagʻi va b) litiy-ion batareyaning katod varagʻi. Anod qatlamlari 0,05 M limon kislotasi eritmasida ajratilgan; katod qatlamlari 0,1 M NaOH eritmasida ajratilgan. Sonotrod diametri 20 mm boʻlgan, sonotroddan 2,5 mm masofada 3 soniya davomida 120 W/cm2 quvvat intensivligi qoʻllanilgan. Namuna oʻlchami 3 cm x 3 cm boʻlgan.
(tadqiqot va rasmlar: Lei et al., 2021)

Elektrod qatlamlarini ajratish uchun ultratovush qurilmalari

Hielscher Ultrasonics 20kHz diapazonida ishlaydigan yuqori unumdor ultratovush protsessorlarini loyihalaydi, ishlab chiqaradi va yetkazib beradi. Hielscher Ultrasonics sanoat ultratovush qurilmalari murakkab qoʻllanishlar uchun juda yuqori amplitudalarni taʼminlay oladigan yuqori quvvatli ultratovush protsessorlaridir. 200µm gacha boʻlgan amplitudalarda 24/7 rejimida uzluksiz ishlashni osongina taʼminlash mumkin. Yanada yuqori amplitudalar uchun buyurtmaga moslashtirilgan ultratovush sonotrodlari mavjud. Elektrod qatlamlarini uzluksiz ajratish jarayoni uchun Hielscher turli standart va buyurtmaga moslashtirilgan sonotrodlarni taklif etadi. Sonotrod oʻlchamini elektrod materialining oʻlchami va kengligiga moslashtirish mumkin, bu esa yuqori qayta ishlash unumdorligi va materiallarni qayta olishning yuqori samaradorligi uchun optimal jarayon sharoitlarini taʼminlashga qaratilgan.

Adabiyotlar / Manbalar

• 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.