Electrochemical methods for the recovery of battery metals from lithium-ion battery waste leach solutions
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
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.
Author
Date
2021-01-26
Department
Major/Subject
Sustainable Metals Processing
Mcode
CHEM3026
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
92+15
Series
Abstract
Lithium-ion batteries are a hot topic when discussing future technologies. Electric vehicles, modern power grids and an increasing number of portable devices have grown the demand for batteries exponentially, and the trajectory is expected to continue for decades. Elevated need for reliable and powerful batteries has raised concerns over the sufficiency and sustainability of battery metal production (i.e. for nickel, cobalt and lithium). Moreover, recycling technologies are underdeveloped considering the number of batteries in circulation now and available for recycling in the future. Thus, the demand for these elements will not subside in some time, which means researching more efficient ways to recover battery metals from used lithium-ion batteries is critical. In this work, currently operational battery recycling processes have been studied. A new recycling process, partly based on the processes studied, was created and simulated. The process used reductive leaching by sulphuric acid and hydrogen peroxide. Impurities were removed via cementation, hydroxide precipitation or solvent extraction. The composition of the raw material feed used in the simulation was varied, and the resulting solution compositions were tabulated. The composition of the solution used in the electrochemical experiments in the experimental part of this work was determined based on simulations, as well as on literature review on solutions from real recycling processes. Electrochemical redox reactions of dissolved nickel, cobalt and lithium were studied under varying conditions with cyclic voltammetry. E-pH diagrams were drawn in order to determine which phases were formed. The experiments were conducted in temperatures of 25 °C, 50 °C and 75 °C, for solutions with a pH of 5, 6 or 7. The possible electrochemical reactions that occurred on the electrode surface were determined, and the results were compared to those found in literature. The goal of these experiments was to determine whether it is possible to recover these metals in an oxide form, thereby simplifying the recycling process and bypassing the conventional precipitation and calcination steps. Based on the electrochemical experiments, it was found that the reactions occurring on the electrode are complex and highly dependent on the applied parameters. Especially in experiments conducted at 75 °C, the anodic deposit of cobalt oxides was prone to detaching from the surface of the electrode, which limited the amount of information that could be obtained from the experiments. In solutions containing cobalt, a reversible oxidation reaction could be observed in a temperature of 50 °C, within a pH range of 6-7. No reversible oxidation reaction could be observed for nickel, which conflicted with literature. At 25 °C, both cobalt and nickel were oxidised irreversibly.Litiumioniakkujen kysyntä on viime vuosina noussut kuumaksi puheenaiheeksi. Liikenteen sähköistyminen, modernit sähköverkot ja kannettavien laitteiden määrän kasvu ovat kasvattaneet akkujen kysyntää räjähdysmäisesti, ja kehityksen ennustetaan jatkuvan samaan suuntaan myös tulevina vuosikymmeninä. Luotettavien ja tehokkaiden akkujen kasvanut tarve aiheuttaa kuitenkin suuria haasteita raaka-aineiden (varsinkin nikkelin, koboltin ja litiumin) riittävyyden ja luonnonvarojen kestävän käytön näkökulmasta. Lisäksi akkujen kierrätys on kokoluokaltaan sekä teknologialtaan vielä lähtötelineissä verrattuna nyt ja tulevaisuudessa kierrossa olevien akkujen määrään. Näillä syin voi perustella akkujen kierrätyksen olevan ehdottoman tärkeä tutkimusalue: kriittisten raaka-aineiden tehokkaalla kierrätyksellä voi lievittää tulevaisuudessa vääjäämättä siintävää raaka-ainepulaa. Tässä työssä tutkittiin ja vertailtiin tällä hetkellä teollisessa käytössä olevia litiumioniakkujen kierrätysprosesseja. Osin näiden prosessien pohjalta luotiin kierrätysprosessi, jonka toimintaa simuloitiin. Prosessissa käytettiin pelkistävää liuotusta rikkihapolla ja vetyperoksidilla. Epäpuhtaudet poistettiin sementoinnin, hydroksidisaostuksen ja liuos-liuosuuton avulla. Simulaation käyttämän raaka-aineen koostumusta muuttamalla tutkittiin liuosten sisältämää koboltin, nikkelin ja litiumin määrän muutosta. Tulokset taulukoitiin, ja niiden sekä todellisten kierrätysprosessien liuoskoostumusten perusteella määritettiin kokeellisessa osassa sähkökemiallisis-sa kokeissa käytetyn liuoksen koostumus. Työssä tutkittiin myös nikkeliä, kobolttia ja litiumia sisältävien liuosten sähkökemiallisia hapettumis-pelkistymisreaktioita syklisen voltammterian avulla. E-pH diagrammeja piirrettiin muodostuvien faasien tunnistamiseksi. Kokeet suoritettiin 25 °C, 50 °C ja 75 °C lämpötiloissa ja liuosten pH oli 5, 6 tai 7. Elektrodin pinnalla tapahtuvat mahdolliset sähkökemialliset reaktiot selvitettiin ja tuloksia vertailtiin alan kirjallisuuden vastaaviin. Kokeiden avulla oli tarkoitus määrittää, onko mahdollista kerätä nikkeliä tai kobolttia suoraan liuoksesta oksideina ilman perinteisiä liuos-liuosuutto-, saostus- ja kalsinointivälivaiheita, täten huomattavasti yksinkertaistaen kierrätysprosesseja. Sähkökemiallisten kokeiden perusteella voitiin päätellä, että elektrodilla tapahtuvat reaktiot ovat monimutkaisia ja varsin riippuvaisia vallitsevista olosuhteista. Erityisesti 75 °C suoritetuissa kokeissa elektrodin pinnalle muodostunut kobolttipitoinen saostuma irtosi helposti sekoituksen voimasta, minkä vuoksi korkeissa lämpötiloissa tapahtuvista hapettumisreaktioista saatiin vain rajallisesti tietoa. Kobolttia sisältävissä liuoksissa havaittiin selkeä reversiibeli hapettumisreaktio 50 °C lämpötiloissa pH-alueella 6-7. Nikkelillä ei havaittu reversiibeleitä hapettumisreaktioita, mikä oli ristiriidassa kirjallisuuden kanssa. 25 °C lämpötilassa havaittiin sekä nikkelin että koboltin hapettuvan irreversiibelisti.Description
Supervisor
Lundström, MariThesis advisor
Hannula, Pyry-MikkoKeywords
lithium-ion battery, recycling process, cyclic voltammetry, anodic oxidation
