Techno-economic assessment of lithium-ion battery recycling processes

No Thumbnail Available
Files
Hartikainen_Mauri_2024.pdf (984.06 KB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Date
2024-05-15
Department
Major/Subject
Kemian tekniikka ja prosessit
Mcode
CHEM3050
Degree programme
Kemiantekniikan kandidaattiohjelma
Language
en
Pages
38
Series
Abstract
The demand for lithium-ion batteries (LIBs) is rapidly increasing. This has also created a demand for efficient LIB recycling processes. The industrial recycling processes can have profitability challenges, which are related to their cost-effectiveness and low market prices of the battery metals. Techno-economic assessment (TEA) can be used as a tool to examine the economic feasibility of these processes. Techno-economic assessments generally consist of technical and economic evaluation methods, which can be used to determine factors such as, market trends, technical challenges, as well as investment and production costs. The prior research on comprehensive LIB recycling process techno-economic evaluations is scarce, therefore data collection and finding efficient evaluation methods are important for the development of techno-economic assessments in this field. This bachelor thesis is a literature review, which examined LIB recycling processes from a techno-economic perspective and gathered information on LIB recycling process assessment methods. This thesis focused on assessing LIB market trends, challenges of industrial processes and evaluation methods suitable for techno-economic assessments. The information gathered through this study’s market trend assessment indicated that the share of low cobalt batteries in the manufacturing is increasing, which will hurt the profitability of many current processes. However, a positive trend was observed from the metal price trends, where the increased demand for batteries has elevated the price of lithium carbonate in the past two years. It was concluded that this trend will increase the profitability and popularity of processes specialized in its recovery. The industrial strengths and weaknesses of various processing methods were investigated. Pyrometallurgy strengths were found to include factors such as, simplicity of the process, the reduced need for pre-treating stages and the ability to handle large battery capacities. The weaknesses were on the side of high energy requirements and on weak ability to recover many of the LIB metals. Hydrometallurgical methods’ strengths included the ability to recover multiple highgrade metals, while the main weaknesses were on the side of high investment costs and the complexity of these processes. Techno-economic methods were investigated by examining widely used methods in the chemical industry. The information gathered on capital expenditures highlighted different methods for the process equipment cost evaluations. For the operational expenditures’ evaluation, relevant parameters to consider in TEA were gathered from various studies in the field of LIB recycling

Litiumioniakkuja käytetään monissa sovelluksissa, ja niiden kysyntä kasvaa jatkuvasti. Tämä luo markkinoille tarpeen tehokkaille litiumioniakkujen kierrätysprosesseille. Litiumioniakkujen teollisessa kierrätyksessä on tuottavuuden kannalta haasteita, jotka liittyvät prosessointimenetelmien kustannustehokkuuteen ja talteenotettujen akkumetallien alhaisiin markkinahintoihin. Teknistaloudellista arviointia voidaan hyödyntää työkaluna kierrätysprosessien taloudellisen kannattavuuden tarkastelussa. Arviointiin sisältyy teknillisiä ja taloudellisia arviointimenetelmiä, joilla määritetään muun muassa markkinoiden kehitystä, teknillisiä haasteita sekä investointi- ja tuotantokustannuksia. Litiumioniakkujen kierrätysprosessien kattavasta teknistaloudellista arvioinnista on vain vähän aiempaa tutkimusta, minkä vuoksi tiedon kerääminen ja tehokkaiden arviointimenetelmien löytäminen ovat tärkeitä arvioinnin kehittämisessä. Tämä kandidaatintyö on muodoltaan kirjallisuuskatsaus. Tämän työn tavoitteena oli tarkastella litiumioniakkujen kierrätysprosesseja teknillistaloudellisesta näkökulmasta ja kerätä tietoa menetelmistä litiumioniakkujen kierrätysprosessien arviointiin. Työssä keskityttiin tarkastelemaan litiumioniakkumarkkinoiden kehitystä, prosessimenetelmien teollisia haasteita sekä teknistaloudelliseen arviointiin soveltuvia menetelmiä. Lisäksi kolmea teollisesti merkittävää kierrätysprosessia arvioitiin niistä avoimesti saatavilla olevan tutkimustiedon perusteella. Litiumioniakkujen teollinen kierrätys on pitkään keskittynyt vain arvokkaimpien akkumetallien koboltin ja nikkelin talteenottoon. Työn markkinakatsaus osoitti, että akkumarkkinoille on odotettavissa yhä enemmän akkuja, joissa on vähemmän kobolttia ja nikkeliä. Tämä tarkoittaa, että kierrätetyissä akuissa on odotettavissa vähemmän arvokkaita metalleja kierrätysprosessien talteen otettavaksi. Akkumetallien hintakehityksen tarkastelussa havaittiin kuitenkin suotuisa kehityssuunta, jossa akkujen noussut kysyntä on johtanut litiumkarbonaatin markkinahinnan nousuun viimeisen kahden vuoden aikana. Tämä tulee kasvattamaan sen talteenottoon erikoistuneiden prosessimenetelmien tuottavuutta. Työssä selvitettiin erilaisten prosessointimenetelmien vahvuuksia ja heikkouksia teollisessa ympäristössä. Pyrometallurgisten menetelmien vahvuuksiksi osoittautui prosessien yksinkertaisuus, tarvittavien prosessin esikäsittelyvaiheiden vähentyminen ja kyky prosessoida suuria kapasiteetteja. Pyrometallurgisten menetelmien heikkouksiksi osoittautui korkeat energiakustannukset ja heikko kyky talteenottaa litiumia. Hydrometallurgisten menetelmien vahvuuksiksi nousi taas muun muassa kyky talteenottaa useita korkealaatuisia metalleja ja pienemmät energiakustannukset verrattaessa pyrometallurgisiin menetelmiin. Hydrometallurgisten menetelmien heikkouksissa korostui prosessien suuremmat investointikustannukset sekä prosessien monivaiheisuus. Työssä soveltuvia teknistaloudellisia menetelmiä tutkittiin kemianteollisuudessa laajemmin käytössä olleista menetelmistä. Tutkimuksen tuloksena taloudelliseen arviointiin löydettiin soveltuvia menetelmiä ja muuttujia, joilla on kyetty arvioimaan kierrätysprosessien investointi- ja tuotantokustannuksia sekä tuottavuutta. Näistä menetelmistä tuotantokustannuksissa tarkasteltiin tuotannollisten muuttujien suhdetta toisiinsa, joiden tuloksissa korostui työvoiman hinnan merkitys prosessin kokonaiskustannuksissa.
Description
Supervisor
Kontturi, Eero
Thesis advisor
Araya-Gómez, Natalia
Keywords
Techno-economic assessment, Lithium-ion battery, Recycling, Market study, Industrial processes
Other note
Citation