Recovery of valuable metals from battery recycling solutions by eletrolysis

Abstract

This thesis deals with the treatment of recycling solutions generated in the recycling process of lithium-ion batteries using an electrochemical method belonging to hydrometallurgy, electrowinning. The thesis focuses on investigating how the valuable metals contained in batteries, especially cobalt and nickel, can be separated from a black mass and recovered using electrochemical means.

Lithium-ion batteries have rapidly become widespread in current battery technology due to their long service life and high energy density, among other features, but their dismantling and recycling are still complex processes. The recovery of valuable metals is a key part of the profitability of battery recycling and compliance with the circular economy. Electrowinning can offer the possibility of selective recovery of valuable metals by adjusting the process conditions.

This thesis is a literature review that examines the results and suitability of electrowinning for the recovery of valuable metals based on previous studies. The literature review shows that electrowinning can be used to recover valuable metals efficiently and selectively. The thesis also identifies a side reaction that commonly occurs in recovery processes, namely hydrogen evaluation reaction, which can impair the quality of the recovered product and reduce current efficiency of the process.

Tässä opinnäytetyössä tarkastellaan litiumioniakkujen kierrätysprosesseissa syntyvien liuosten käsittelyä hydrometallurgisen kierrätysprosessin sähkökemiallisella osalla, talteenottoelektrolyysillä. Työssä keskitytään tutkimaan, kuinka akkujen sisältämät arvometallit, erityisesti koboltti ja nikkeli, voidaan erottaa mustasta massasta eri hydrometallurgisten prosessivaiheiden avulla ja lopulta ottaa talteen sähkökemiallisesti.

Litiumioniakut ovat yleistyneet nopeasti nykyisessä akkuteknologiassa muun muassa niiden korkean energiatiheyden sekä pitkän käyttöiän vuoksi, mutta niiden purkaminen ja kierrätys ovat vielä toistaiseksi monimutkaisia prosesseja. Arvometallien talteenotto on keskeistä akkujen kierrätyksen kannattavuuden sekä kiertotalouden tavoitteiden saavuttamisen kannalta. Talteenottoelektrolyysi voi tarjota mahdollisuuden selektiiviseen ja tehokkaaseen arvometallien talteenottoon prosessiolosuhteita säätelemällä.

Tämä opinnäytetyö on kirjallisuuskatsaus, jossa tarkastellaan aiempien tutkimusten perusteella talteenottoelektrolyysin tuloksia ja soveltuvuutta arvometallien talteenottoon. Kirjallisuuskatsaus osoittaa, että talteenottoelektrolyysillä voidaan ottaa metalleja talteen tehokkaasti ja selektiivisesti. Työssä tunnistetaan myös talteenottoprosesseissa yleisesti toistuva sivureaktio, vedyn muodostuminen, joka voi huonontaa talteenotetun tuotteen laatua ja alentaa prosessin virrantehokkuutta.