Tái chế điện cực – Hiệu quả cao nhờ tách lớp bằng siêu âm

Tách lớp điện cực bằng siêu âm cho phép thu hồi các vật liệu hoạt tính như lithi, niken, mangan, coban, v.v. chỉ trong vài giây. Nhờ đó, việc tách lớp điện cực bằng siêu âm giúp thu hồi các vật liệu có thể tái sử dụng từ pin nhanh hơn, thân thiện với môi trường và tiêu tốn ít năng lượng hơn đáng kể. Nghiên cứu đã chứng minh rằng tách lớp bằng siêu âm có thể nhanh gấp 100 lần so với các kỹ thuật tái chế thông thường.

Siêu âm công suất cải thiện khả năng thu hồi vật liệu hoạt tính từ điện cực

Tách lớp điện cực có hỗ trợ siêu âm mang đến một phương pháp nhanh chóng, hiệu quả và bền vững để thu hồi các vật liệu hoạt tính và lá kim loại. Những thành phần này của điện cực là các vật liệu có giá trị, có thể được tái sử dụng để sản xuất pin mới. Tách lớp bằng siêu âm không chỉ tiết kiệm năng lượng hơn đáng kể so với các quy trình tái chế bằng thủy luyện và hỏa luyện mà còn thu được vật liệu có độ tinh khiết cao hơn.

Tái chế pin: Tách điện cực và tách lớp

Tái chế pin ion lithi (LIB) nhằm thu hồi các vật liệu có giá trị. Các điện cực chứa những vật liệu quý và hiếm như lithi, niken, mangan, coban, v.v., có thể được thu hồi hiệu quả bằng quy trình tách lớp liên tục bằng siêu âm. Các thiết bị xử lý siêu âm được trang bị đầu dò (đầu siêu âm) có thể tạo ra biên độ dao động lớn. Biên độ dao động truyền sóng siêu âm vào môi trường lỏng (ví dụ: bể dung môi), nơi các bọt chân không rất nhỏ hình thành do các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp luân phiên. Những bọt chân không này lớn dần qua vài chu kỳ, cho đến khi đạt kích thước mà chúng không thể hấp thụ thêm năng lượng. Tại thời điểm này, các bọt sụp đổ dữ dội. Sự sụp đổ của bọt tạo ra cục bộ một môi trường có mật độ năng lượng rất cao với các tia chất lỏng có vận tốc lên đến 280m/s, dòng chảy rối mạnh, nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000K), áp suất rất cao (khoảng 2.000atm) và các chênh lệch nhiệt độ, áp suất tương ứng.
Hiện tượng bọt sụp đổ do siêu âm gây ra này được gọi là xâm thực âm. Các tác động của xâm thực âm loại bỏ màng composite chứa vật liệu hoạt tính khỏi bộ thu dòng điện dạng lá kim loại, vốn được phủ màng composite ở cả hai mặt. Vật liệu hoạt tính chủ yếu chứa hỗn hợp bột oxit lithi mangan (LMO) và oxit lithi niken mangan coban (LiNiMnCoO2 hoặc NMC), cùng với muội than làm phụ gia dẫn điện.
Cơ chế tách lớp bằng siêu âm dựa trên các lực vật lý có khả năng phá vỡ liên kết phân tử. Nhờ cường độ của siêu âm công suất, các dung môi có tác động nhẹ hơn thường đã đủ để loại bỏ các lớp vật liệu hoạt tính khỏi lá kim loại hoặc bộ thu dòng điện. Nhờ đó, tách lớp điện cực bằng siêu âm nhanh hơn, thân thiện với môi trường và tiêu tốn ít năng lượng hơn đáng kể.

Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy những thay đổi về hình thái của vật liệu hoạt tính điện cực khi tách lớp bằng siêu âm. Tất cả các ảnh đều được chụp ở độ phóng đại 5000x và năng lượng kích thích 10 kV. a) vật liệu catốt trước khi tách lớp, b) vật liệu hoạt tính catốt đã tách lớp, c) vật liệu anốt trước khi tách lớp và d) vật liệu anốt đã tách lớp.
(nghiên cứu và hình ảnh: Lei et al., 2021)

Nghiền vụn pin so với tách điện cực

Để thu hồi vật liệu hoạt tính, dung môi nước hoặc dung môi hữu cơ được sử dụng để hòa tan lá kim loại, chất kết dính polyme và/hoặc vật liệu hoạt tính. Thiết kế và trình tự vận hành của quy trình ảnh hưởng đáng kể đến kết quả thu hồi vật liệu cuối cùng. Quy trình tái chế pin truyền thống bao gồm việc nghiền nhỏ các mô-đun pin. Tuy nhiên, các thành phần đã nghiền nhỏ rất khó tách thành từng thành phần riêng biệt. Cần có quá trình xử lý phức tạp để thu được vật liệu hoạt tính/có giá trị từ khối vật liệu đã nghiền nhỏ. Để tái sử dụng vật liệu hoạt tính đã thu hồi, cần đạt một mức độ tinh khiết nhất định. Việc thu hồi vật liệu có độ tinh khiết cao từ khối pin đã nghiền nhỏ đòi hỏi các quy trình phức tạp và dung môi có tính tác động mạnh, do đó rất tốn kém. Quá trình hòa tách bằng siêu âm được sử dụng thành công để tăng cường quá trình và cải thiện kết quả thu hồi vật liệu hoạt tính từ pin lithium-ion đã nghiền nhỏ.
Là một quy trình thay thế cho phương pháp nghiền nhỏ truyền thống, tách điện cực đã được chứng minh là một quy trình tái chế pin hiệu quả, có thể cải thiện đáng kể độ tinh khiết của vật liệu thu được. Trong quy trình tách điện cực, pin được tháo rời thành các thành phần chính. Vì các điện cực chứa tỷ trọng vật liệu có giá trị lớn nhất, điện cực được tách ra và xử lý hóa học để hòa tan các vật liệu hoạt tính (lithium, niken, mangan, coban …) khỏi lá kim loại đã phủ hoặc bộ thu dòng điện. Xử lý bằng siêu âm được biết đến rộng rãi nhờ các tác động mạnh do hiện tượng xâm thực âm gây ra. Các lực cơ học do siêu âm tạo ra cung cấp đủ dao động và lực cắt để loại bỏ các vật liệu hoạt tính được phủ thành lớp trên lá kim loại. (Cấu trúc của lá kim loại đã phủ tương tự như bánh sandwich, với lá kim loại ở giữa và lớp vật liệu hoạt tính tạo thành bề mặt ngoài.)
Tách điện cực sẽ là một lựa chọn khả thi hơn so với nghiền nhỏ khi được sử dụng kết hợp với quá trình tháo rời tự động, cho phép tạo ra các dòng chất thải tinh khiết hơn và giữ lại nhiều giá trị hơn trong nguồn cung

Đầu sonotrode siêu âm dùng để bóc tách lớp điện cực

Các đầu sonotrode chuyên dụng cung cấp biên độ cần thiết để loại bỏ vật liệu hoạt tính khỏi lá kim loại điện cực luôn có sẵn. Vì cường độ xâm thực âm giảm khi khoảng cách giữa đầu sonotrode và điện cực tăng, việc duy trì khoảng cách đồng đều giữa đầu sonotrode và điện cực là có lợi. Điều này có nghĩa là tấm điện cực cần được di chuyển sát bên dưới mũi đầu sonotrode, nơi sóng áp suất mạnh và mật độ xâm thực cao. Với các đầu sonotrode chuyên dụng có chiều rộng lớn hơn đầu dò siêu âm hình trụ tiêu chuẩn, Hielscher Ultrasonics cung cấp một giải pháp hiệu quả để bóc tách lớp đồng đều trên các tấm điện cực từ xe điện. Ví dụ, điện cực được sử dụng trong pin xe điện (EV) dạng túi thường có chiều rộng khoảng 20 cm. Một đầu sonotrode có cùng chiều rộng truyền tác động xâm thực âm đồng đều trên toàn bộ bề mặt điện cực. Nhờ đó, chỉ trong vài giây, các lớp vật liệu hoạt tính được giải phóng vào dung môi và có thể được chiết tách rồi tinh chế thành bột. Bột này có thể được tái sử dụng để sản xuất pin mới.
Nhóm nghiên cứu của Faraday Institution tại Vương quốc Anh báo cáo rằng việc loại bỏ các lớp vật liệu hoạt tính khỏi điện cực pin lithium-ion (LIB) có thể hoàn tất trong chưa đầy 10 s khi điện cực được đặt ngay bên dưới một đầu sonotrode công suất cao (1000 đến 2000 W, ví dụ: UIP1000hdT hoặc UIP2000hdT). Trong quá trình xử lý bằng siêu âm, các liên kết bám dính giữa vật liệu hoạt tính và bộ thu dòng điện bị phá vỡ, nhờ đó có thể thu hồi bộ thu dòng điện nguyên vẹn và vật liệu hoạt tính dạng bột trong bước tinh chế tiếp theo.

Các hình ảnh cho thấy tác động của siêu âm lên mặt sau của: a) tấm anốt của pin lithium-ion và b) tấm catốt của pin lithium-ion. Anốt được bóc tách lớp trong dung dịch axit citric 0,05 M; catốt được bóc tách lớp trong dung dịch NaOH 0,1 M. Đầu sonotrode có đường kính 20 mm, với cường độ công suất 120 W/cm2 được áp dụng trong 3 giây, ở khoảng cách 2,5 mm tính từ đầu sonotrode. Kích thước mẫu là 3 cm x 3 cm.
(nghiên cứu và hình ảnh: Lei và cộng sự, 2021)

Thiết bị siêu âm để bóc tách lớp điện cực

Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối các thiết bị xử lý siêu âm hiệu năng cao, hoạt động trong dải tần 20kHz. Các thiết bị siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics là những thiết bị xử lý siêu âm công suất cao có thể tạo ra biên độ rất cao cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe. Có thể dễ dàng duy trì biên độ lên đến 200µm liên tục trong chế độ vận hành 24/7. Đối với các biên độ cao hơn nữa, có sẵn các đầu sonotrode siêu âm được tùy chỉnh. Đối với quy trình bóc tách lớp điện cực liên tục, Hielscher cung cấp nhiều loại đầu sonotrode tiêu chuẩn cũng như tùy chỉnh. Kích thước đầu sonotrode có thể được điều chỉnh theo kích thước và chiều rộng của vật liệu điện cực, qua đó hướng tới các điều kiện xử lý tối ưu để đạt năng suất xử lý cao và khả năng thu hồi vượt trội.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.