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.

Power Ultrasound Improves Recovery of Active Materials from Electrodes

Ultrasonically-assited delamination of electrodes offers a rapid, efficient, and sustainable approach recovering active materials and the foil. These parts of the electrode are valuable materials, which can be reused for the manufacturing of new batteries. Ultrasonic delamination is not only significantly more energy-efficient than hydrometallurgical and pyrometallurgical recycling processes, they also yield in materials of higher purity.

Battery Recycling: Electrode Separation and Delamination

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

Special sonotrodes delivering the required amplitude to remove the active materials from the electrode foil are readily available. As the intensity of acoustic cavitation decreases with increasing distance between sonotrode and electrode, a continuously uniform distance between sonotrode and electrode is favourable. This means, the electrode sheet should be moved closely beneath the sonotrode tip, where pressure waves are strong and cavitation density is high. With special sonotrodes offering a broader width than the standard cylindrical ultrasonic probe, Hielscher Ultrasonics offers an efficient solution for uniform delamination of electrode sheets from electric vehicles. For instance, electrodes used in pouch cell electric vehicle (EV) batteries have typically a width of approx. 20 cm. A sonotrode of the same width transmits acoustic cavitation uniformly at the whole electrode surface. Thereby, within seconds the layers of active material is released into the solvent and can be extracted and purified into powder. This powder can be reused for the production of new batteries.
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