Tái chế điện cực – Hiệu quả cao với khử trùng siêu âm

Khử nhiễm siêu âm của các điện cực cho phép phục hồi các vật liệu hoạt động như lithium, niken, mangan, coban, v.v. trong vòng vài giây. Do đó, khử nhiễm điện cực siêu âm làm cho việc thu hồi các vật liệu có thể tái sử dụng từ pin nhanh hơn, xanh lá cây và ít tốn năng lượng hơn đáng kể. Nghiên cứu đã chứng minh rằng khử trùng siêu âm có thể nhanh hơn 100 lần so với các kỹ thuật tái chế thông thường.

Siêu âm điện cải thiện sự phục hồi của các vật liệu hoạt động từ các điện cực

Ultrasonically-assited delamination của các điện cực cung cấp một cách tiếp cận nhanh chóng, hiệu quả, và bền vững phục hồi các vật liệu hoạt động và lá. Những bộ phận này của điện cực là vật liệu có giá trị, có thể được tái sử dụng để sản xuất pin mới. Siêu âm phân tách không chỉ tiết kiệm năng lượng hơn đáng kể so với các quy trình tái chế thủy luyện kim và luyện kim, chúng còn mang lại các vật liệu có độ tinh khiết cao hơn.

Tái chế pin: Tách và tách điện cực

Tái chế pin lithium ion (LIB) nhằm mục đích thu hồi các vật liệu có giá trị. Các điện cực chứa các vật liệu quý và hiếm như lithium, niken, mangan, coban, v.v., có thể được phục hồi hiệu quả bằng cách sử dụng quá trình khử nhiễm siêu âm liên tục. Bộ xử lý siêu âm được trang bị đầu dò (sonotrode) có thể tạo ra biên độ mạnh. Biên độ truyền sóng siêu âm vào môi trường lỏng (ví dụ: bồn tắm dung môi), trong đó do các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp xen kẽ các bong bóng chân không phút phát sinh. Những bong bóng chân không này phát triển qua một vài chu kỳ, cho đến khi chúng đạt đến kích thước mà chúng không thể hấp thụ thêm bất kỳ năng lượng nào nữa. Tại thời điểm này, các bong bóng nổ tung dữ dội. Vụ nổ bong bóng tạo ra một môi trường giàu năng lượng cao với các tia chất lỏng lên tới 280m / s vận tốc, nhiễu loạn dữ dội, nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000K), áp suất (khoảng 2.000atm) và theo đó chênh lệch nhiệt độ và áp suất.
Hiện tượng nổ bong bóng do siêu âm gây ra này được gọi là cavitation âm thanh. Các hiệu ứng của cavitation âm thanh loại bỏ màng composite của vật liệu hoạt động từ bộ sưu tập hiện tại lá, được phủ trên cả hai mặt với màng composite. vật liệu hoạt động chứa chủ yếu là hỗn hợp oxit mangan lithium (LMO) và bột lithium nickel mangan cobalt oxide (LiNiMnCoO2 hoặc NMC) cũng như carbon đen làm phụ gia dẫn điện.
Cơ chế khử nhiễm siêu âm dựa trên các lực vật lý, có khả năng phá vỡ các liên kết phân tử. Do cường độ siêu âm điện thường nhẹ hơn dung môi là đủ để loại bỏ các lớp vật liệu hoạt động từ lá hoặc bộ sưu tập hiện tại. Do đó, việc khử nhiễm siêu âm của điện cực nhanh hơn, thân thiện với môi trường và ít tốn năng lượng hơn đáng kể.

Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy những thay đổi hình thái đối với vật liệu hoạt động điện cực khi khử nhiễm siêu âm. Tất cả các hình ảnh được chụp ở độ phóng đại 5000x và năng lượng kích thích 10 kV. a) vật liệu cathode pre-delamination, b) delaminated cathode vật liệu hoạt tính, c) vật liệu anode pre-delamination và d) delaminated anode vật liệu.
(nghiên cứu và hình ảnh: Lei et al., 2021)

Cắt nhỏ pin so với Tách điện cực

Để thu hồi vật liệu hoạt động hoặc dung môi nước hoặc hữu cơ được sử dụng để hòa tan lá kim loại, chất kết dính polymer và / hoặc vật liệu hoạt động. Thiết kế quá trình và dòng chảy ảnh hưởng đáng kể đến kết quả cuối cùng của việc phục hồi vật liệu. Quá trình tái chế pin truyền thống liên quan đến việc cắt nhỏ các mô-đun pin. Tuy nhiên, các thành phần vụn rất khó tách thành các thành phần riêng lẻ. Nó đòi hỏi phải xử lý phức tạp để có được vật liệu hoạt động / có giá trị từ khối lượng vụn. Để tái sử dụng các vật liệu hoạt động đã phục hồi, cần có một mức độ tinh khiết nhất định. Lấy vật liệu tinh khiết cao từ số lượng lớn pin vụn liên quan đến các quy trình phức tạp, dung môi khắc nghiệt và do đó rất tốn kém. Lọc siêu âm được sử dụng thành công để tăng cường và nâng cao kết quả phục hồi vật liệu hoạt động từ pin lithium ion vụn.
Là một quá trình thay thế cho việc cắt nhỏ truyền thống, tách điện cực đã được chứng minh là quá trình tái chế pin hiệu quả có thể cải thiện đáng kể độ tinh khiết của các vật liệu thu được. Đối với quá trình tách điện cực, pin được tháo rời thành các thành phần chính của nó. Vì các điện cực chứa một phần lớn nhất của vật liệu có giá trị, điện cực được tách ra và xử lý hóa học để hòa tan các vật liệu hoạt động (lithium, niken, mangan, coban ...) từ lá tráng hoặc bộ sưu tập hiện tại. Siêu âm nổi tiếng với các hiệu ứng dữ dội của nó gây ra bởi cavitation âm thanh. Các lực sonomechanical áp dụng đủ dao động và cắt để loại bỏ các vật liệu hoạt động, được xếp lớp trên lá. (Cấu trúc của một lá tráng tương tự như một chiếc bánh sandwich, lá ở trung tâm và lớp vật liệu hoạt động xây dựng bề mặt bên ngoài.)
Tách điện cực sẽ làm cho một lựa chọn khả thi hơn so với cắt nhỏ, khi được sử dụng kết hợp với tháo rời tự động, cho phép các dòng chất thải tinh khiết hơn và duy trì giá trị lớn hơn trong nguồn cung cấp

Sonotrodes siêu âm cho electrode delamination

Các sonotrodes đặc biệt cung cấp biên độ cần thiết để loại bỏ các vật liệu hoạt động khỏi lá điện cực có sẵn. Khi cường độ cavitation âm thanh giảm khi khoảng cách giữa sonotrode và điện cực ngày càng tăng, khoảng cách đồng đều liên tục giữa sonotrode và điện cực là thuận lợi. Điều này có nghĩa là, tấm điện cực nên được di chuyển chặt chẽ bên dưới đầu sonotrode, nơi sóng áp lực mạnh và mật độ xâm thực cao. Với sonotrodes đặc biệt cung cấp một chiều rộng rộng hơn so với đầu dò siêu âm hình trụ tiêu chuẩn, Hielscher Ultrasonics cung cấp một giải pháp hiệu quả cho việc phân tách đồng đều các tấm điện cực từ xe điện. Ví dụ, các điện cực được sử dụng trong pin xe điện tế bào túi (EV) thường có chiều rộng khoảng 20 cm. Một sonotrode có cùng chiều rộng truyền cavitation âm thanh đồng đều ở toàn bộ bề mặt điện cực. Qua đó, trong vòng vài giây, các lớp vật liệu hoạt động được giải phóng vào dung môi và có thể được chiết xuất và tinh chế thành bột. Bột này có thể được tái sử dụng để sản xuất pin mới.
Nhóm nghiên cứu của Viện Faraday của Vương quốc Anh báo cáo rằng việc loại bỏ các lớp vật liệu hoạt động khỏi điện cực LIB có thể được hoàn thành trong vòng chưa đầy 10 giây khi điện cực nằm ngay bên dưới một sonotrode công suất cao (1000 đến 2000 W, ví dụ. UIP1000hdT hoặc là UIP2000hdT). Trong quá trình xử lý siêu âm, các liên kết dính giữa các vật liệu hoạt động và các bộ sưu tập hiện tại bị phá vỡ để trong bước thanh lọc tiếp theo, một bộ sưu tập hiện tại còn nguyên vẹn và vật liệu hoạt động bột có thể được phục hồi.

Hình ảnh cho thấy tác dụng của siêu âm ở mặt sau của: a) tấm anode pin lithium ion và b) tấm cathode pin lithium ion. Cực dương đã được khử nhiễm trong dung dịch axit citric 0,05 M; cực âm đã được khử trùng trong dung dịch 0,1 M NaOH. Sonotrode có đường kính 20 mm, với cường độ công suất 120 W / cm2 được áp dụng trong 3 giây, cách xa sonotrode 2,5 mm. Kích thước mẫu là 3 cm x 3 cm.
(nghiên cứu và hình ảnh: Lei et al., 2021)

Máy siêu âm cho electrode delamination

Hielscher Siêu âm thiết kế, sản xuất và phân phối bộ xử lý siêu âm hiệu suất cao, hoạt động trong phạm vi 20kHz. Siêu âm Hielscher’ máy siêu âm công nghiệp là bộ xử lý siêu âm công suất cao có thể cung cấp biên độ rất cao cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe. Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng chạy liên tục trong hoạt động 24/7. Đối với biên độ cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn. Đối với quá trình khử nhiễm liên tục của các điện cực, Hielscher cung cấp một loạt các sonotrodes tiêu chuẩn cũng như tùy chỉnh. Kích thước sonotrode có thể được điều chỉnh theo kích thước và chiều rộng của vật liệu điện cực, do đó nhắm mục tiêu các điều kiện quá trình tối ưu cho thông lượng cao và phục hồi vượt trội.

Văn học/tài liệu tham khảo