Tái chế điện cực – Hiệu quả cao với Ultrasonic Delamination

Tách lớp siêu âm của các điện cực cho phép thu hồi các vật liệu hoạt động như lithium, niken, mangan, coban, v.v. trong vòng vài giây. Qua đó, tách lớp điện cực siêu âm giúp thu hồi các vật liệu có thể tái sử dụng từ pin nhanh hơn, xanh và ít tốn năng lượng hơn đáng kể. Nghiên cứu đã chứng minh rằng tách lớp siêu âm có thể nhanh hơn 100 lần so với các kỹ thuật tái chế thông thường.

Siêu âm công suất cải thiện khả năng phục hồi các vật liệu hoạt động từ các điện cực

Tách lớp siêu âm của các điện cực cung cấp một cách tiếp cận nhanh chóng, hiệu quả và bền vững để thu hồi các vật liệu hoạt động và giấy bạc. Các bộ phận này của điện cực là vật liệu có giá trị, có thể được tái sử dụng để sản xuất pin mới. Tách lớp siêu âm không chỉ tiết kiệm năng lượng hơn đáng kể so với các quy trình tái chế luyện kim thủy lực và luyện kim, chúng còn mang lại các vật liệu có độ tinh khiết cao hơn.

Tái chế pin: Tách và tách lớp 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 hiếm như lithium, niken, mangan, coban, v.v., có thể được thu hồi hiệu quả bằng quy trình tách lớp 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: bể dung môi), nơi do chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp xen kẽ, bong bóng chân không nhỏ 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. Tại thời điểm này, các bong bóng nổ mạnh mẽ. Vụ nổ bong bóng tạo ra cục bộ một môi trường mật độ năng lượng cao với các tia chất lỏng có vận tốc lên đến 280m / s, nhiễu loạn dữ dội, nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000K), áp suất (khoảng 2.000atm) và tương ứng là chênh lệch nhiệt độ và áp suất.
Hiện tượng nổ bong bóng siêu âm này được gọi là xâm thực âm thanh. Tác động của xâm thực âm thanh loại bỏ màng composite của vật liệu hoạt động khỏi bộ thu dòng điện lá, được phủ màng composite ở cả hai mặt. vật liệu hoạt tính chứa chủ yếu là hỗn hợp lithium mangan oxit (LMO) và bột lithium niken mangan coban oxit (LiNiMnCoO2 hoặc NMC) cũng như muội than làm phụ gia dẫn điện.
Cơ chế tách lớp siêu âm dựa trên các lực vật lý, có khả năng phá vỡ các liên kết phân tử. Do cường độ của siêu âm công suất, dung môi nhẹ hơn là đủ để loại bỏ các lớp vật liệu hoạt động khỏi lá hoặc bộ thu dòng. Qua đó, quá trình tách lớp 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 tách lớp siêu âm. Tất cả các hình ảnh được chụp ở độ phóng đại 5000x và năng lượng kích thích 10 kV. a) Vật liệu cực âm trước tách lớp, b) Vật liệu hoạt động cực âm tách lớp, c) Vật liệu cực dương trước tách lớp và d) Vật liệu cực dương tách lớp.
(nghiên cứu và hình ảnh: Lei và cộng sự, 2021)

Băm nhỏ pin so với tách điện cực

Để thu hồi vật liệu hoạt động, dung môi nước hoặc hữu cơ được sử dụng để hòa tan lá kim loại, chất kết dính polyme và / hoặc vật liệu hoạt tính. Thiết kế quy trình và dòng chảy ảnh hưởng đáng kể đến kết quả cuối cùng của việc thu 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 bị cắt nhỏ rất khó tách thành các thành phần riêng lẻ. Nó đòi hỏi quá trình xử lý phức tạp để thu được vật liệu hoạt động / có giá trị từ khối lượng đã băm nhỏ. Để tái sử dụng các vật liệu hoạt động đã thu hồi, cần có một mức độ tinh khiết nhất định. Việc lấy các vật liệu có độ tinh khiết cao từ khối lượng pin vụn liên quan đến các quy trình phức tạp, dung môi mạnh và do đó tốn kém. Rửa trôi siêu âm được sử dụng thành công để tăng cường và nâng cao kết quả thu hồi vật liệu hoạt tính từ pin lithium ion vụn.
Là một quy trình thay thế cho việc băm 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 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 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 ...) từ lá tráng hoặc bộ thu dòng điện. Siêu âm nổi tiếng với các hiệu ứng mạnh mẽ do xâm thực âm thanh. Lực siêu âm tác dụng đủ dao động và cắt để loại bỏ các vật liệu hoạt động, được xếp lớp lên giấy bạc. (Cấu trúc của giấy bạc tráng tương tự như bánh sandwich, lá ở trung tâm và lớp vật liệu hoạt tính xây dựng bề mặt bên ngoài.)
Tách điện cực sẽ tạo ra một lựa chọn khả thi hơn so với băm nhỏ, khi được sử dụng kết hợp với việc tháo rời tự động, cho phép các dòng chất thải tinh khiết hơn và giữ lại giá trị lớn hơn trong nguồn cung cấp

Sonotrodes siêu âm để tách lớp điện cực

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 xâm thực âm thanh giảm khi khoảng cách giữa sonotrode và điện cực tăng lên, khoảng cách đồng đều liên tục giữa sonotrode và điện cực là thuận lợi. Điều này có nghĩa là, tấm điện cực phải được di chuyển gần bên dưới đầu sonotrode, nơi sóng áp suất mạnh và mật độ xâm thực cao. Với sonotrodes đặc biệt cung cấp chiều rộng rộng hơn so với đầu dò siêu âm hình trụ tiêu chuẩn, Hielscher Ultrasonics cung cấp một giải pháp hiệu quả để tách lớp đồng đều các tấm điện cực từ xe điện. Ví dụ, các điện cực được sử dụng trong pin xe điện (EV) thường có chiều rộng khoảng 20 cm. Một sonotrode có cùng chiều rộng truyền xâm thực âm thanh đồng đều trên toàn bộ bề mặt điện cực. Qua đó, trong vòng vài giây, các lớp hoạt chất được giải phóng vào dung môi và có thể được chiết xuất và tinh chế thành bột. Loại 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 được đặt ngay bên dưới một siêu âm công suất cao (1000 đến 2000 W, ví dụ: UIP1000hdt hoặc UIP2000hdT). Trong quá trình xử lý siêu âm, các liên kết kết dính giữa vật liệu hoạt động và bộ thu dòng điện bị phá vỡ để trong bước tinh chế tiếp theo, có thể thu hồi bộ thu dòng nguyên vẹn và vật liệu hoạt động dạng bột.

Hình ảnh cho thấy tác dụng của siêu âm ở mặt sau của: a) tấm cực dương pin lithium ion và b) tấm cực âm pin lithium ion. Cực dương được tách ra trong dung dịch 0,05 M axit xitric; cực âm được tách lớp 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 sonotrode 2,5 mm. Kích thước mẫu là 3 cm x 3 cm.
(nghiên cứu và hình ảnh: Lei và cộng sự, 2021)

Máy siêu âm để tách lớp điện cực

Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối bộ xử lý siêu âm hiệu suất cao, hoạt động trong dải 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 nữa, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn. Đối với quá trình tách lớp 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 cho phù hợp với kích thước và chiều rộng của vật liệu điện cực, do đó nhắm mục tiêu vào các điều kiện quy trình tối ưu để có thông lượng cao và thu hồi vượt trội.

Văn học / Tài liệu tham khảo