Life cycle assessment of lithium conversion
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-12-20
Department
Major/Subject
Industrial Energy Processes
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
128
Series
Abstract
The demand for lithium hydroxide is increasing due to modern electric vehicle (EV) batteries containing high-nickel cathode materials prepared by using lithium hydroxide. Nevertheless, the most prevalent product in the lithium value chain is lithium carbonate. Consequently, there is a need for technologies that can further process lithium carbonate into lithium hydroxide to meet the increasing demand. One proposed solution involves the use of a lithium conversion plant for converting lithium carbonate to lithium hydroxide. In this study, a lithium conversion plant was simulated, and a Life Cycle Assessment (LCA) was conducted for the plant. In this work, a conventional process of converting lithium carbonate to lithium hydroxide with calcium hydroxide was studied. The effects of conversion rate and impurity reaction rates in the conversion reactor were examined. Additionally, three different feed materials were implemented: battery grade lithium carbonate from battery recycling and brine, and technical grade lithium carbonate. In the process design, it is recommended to aim for a high conversion rate, as it leads to better product yield, improved product purity, and lower impurities in the crystallizer recycle. Impurity reaction rates had minimal effect on the process due to the low impurity contents of the selected feed materials. Furthermore, the process simulation demonstrated that conventional conversion can be utilized in this way to produce lithium hydroxide from various sources of lithium carbonate. In the LCA, the simulated process scenarios were compared in different environmental impact categories. Additionally, a contribution analysis was conducted, and the conversion process was compared with primary production of lithium hydroxide. The results indicated that feed selection is the primary contributor to the differences in environmental impacts between scenarios. Additionally, increasing the conversion rate was seen to marginally increase the environmental impact. However, simultaneously process efficiency increases. Of the feed options explored in this study, the best option is lithium carbonate from brine and lowest performing option is technical grade lithium carbonate. Furthermore, it was determined that the most environmentally straining factors of the process were feed consumption and electricity use. The comparison with primary production demonstrated that in most impact categories lithium conversion is more favorable. The main limitation of the conversion process was found to be extensive water consumption.Litiumhydroksidin kysyntä on kasvussa, koska uusissa sähköautoissa käytetään akkuja, jotka sisältävät litiumhydroksidista valmistettuja runsaasti nikkeliä sisältäviä katodimateriaaleja. Tästä huolimatta litiumin arvoketjun yleisin tuote on litiumkarbonaatti. Näin ollen on tarve teknologioille, joilla litiumkarbonaattia voitaisiin prosessoida litiumhydroksidiksi vastaamaan kasvavaan kysyntään. Yksi ehdotettu ratkaisu on erillisen litiumin konvertointiin erikoistuneen laitoksen käyttö. Tässä diplomityössä suunniteltiin ja simuloitiin litiumkonversiolaitos, sekä tehtiin laitokselle elinkaariarviointi. Tässä työssä keskityttiin prosessiin, jossa litiumkarbonaatti muunnetaan litiumhydroksidiksi kalsiumhydroksidilla, ja prosessin konversioasteen ja epäpuhtausreaktioiden etenemisasteen vaikutuksia tarkasteltiin. Lisäksi työssä valittiin kolme erilaista syötemateriaalia: akkulaatuiset litiumkarbonaatti materiaalit akkujen kierrätyksestä ja suolavesi-prosessista, sekä teknisen laadun litiumkarbonaatti. Prosessisuunnittelussa on suositeltavaa pyrkiä saavuttamaan korkea konversioaste, koska sen huomattiin johtavan parempaan tuotteen saantoon, parempaan tuotteen puhtauteen ja pienempään epäpuhtauksien määrään kiteyttimen kiertovirrassa. Epäpuhtausreaktioiden etenemisellä oli minimaalinen vaikutus prosessiin, koska epäpuhtauspitoisuudet olivat prosessissa todella alhaiset. Prosessisimulaatio osoitti, että konversio prosessia voi käyttää litiumhydroksidin valmistamiseen erilaisista litiumkarbonaatti-lähteistä. Elinkaariarvioinnissa simuloituja prosessiskenaarioita verrattiin eri ympäristövaikutuskategorioissa. Lisäksi suoritettiin kontribuutioanalyysi eri syötteille, ja konversioprosessia verrattiin litiumhydroksidin primaarituotantoon. Tulokset osoittivat, että syötemateriaalin valinta on ensisijainen syy skenaarioiden välisiin ympäristövaikutusten eroihin. Lisäksi konversioasteen nostamisen havaittiin hieman lisäävän ympäristövaikutuksia, mutta samalla prosessin hyötysuhde parani. Tässä työssä vertailluista syötevaihtoehdoista paras ympäristön kannalta on suolavesi-prosessilla tuotettu litiumkarbonaatti kun taas epäsuotuisin on teknillinen litiumkarbonaatti. Lisäksi todettiin, että ympäristöä eniten rasittavat tekijät olivat syötteen ja sähkön kulutus. Konversioprosessin vertailu primaarituotantoon osoitti, että konversio on yleisesti suotuisampi vaihtoehto ympäristön kannalta. Konversion merkittävin haitta on sen suuri vedenkulutus.Description
Supervisor
Lundström, MariThesis advisor
Lappalainen, HeikkiKeywords
lithium, conversion, LCA, lithium hydroxide, lithium carbonate, battery metals