Direct recycling of LiFePO4 cathode

Thumbnail Image

Files

Niemelä_Tommi_2025.pdf (791.18 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Bachelor'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

2025-09-20

Department

Major/Subject

Materiaalitiede ja -tekniikka

Mcode

CHEM3013

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

27

Series

Abstract

The global shift from fossil fuels to renewable energy is dramatically increasing the demand for lithium-ion batteries (LIBs). The increasing demand and adoption will eventually lead to an increase in hazardous LIB waste. LIB waste can, however, be recycled for profit by extracting valuable metals like cobalt and nickel from them. Furthermore, recycling incentives the collection and safe handling of LIB waste, reducing its danger to humans and the environment. However, the popularity of cheaper lithium iron phosphate (LFP) batteries is increasing. LFP batteries lack cobalt and nickel, making their recycling with current industrial methods economically unviable. In this thesis, different methods of direct recycling LFP batteries are presented and evaluated. Hydrothermal and electrochemical methods offer great potential for profitable LFP recycling, but their sensitivity to waste LFP impurities is hindering industrial scale implementation. As viable industrial scale methods for LFP recycling develop, another focus should be on increasing knowledge and collaboration between consumers, legislators and companies, to realize a sustainable closed-loop LIB ecosystem. This thesis aims to highlight the importance of a sustainable LIB ecosystem in the shift towards renewable energy.

Energian tuotanto ja liikenne perustuvat laajalti perinteisiin fossiilisiin polttoaineisiin, joiden käyttö aiheuttaa merkittäviä kasvihuonepäästöjä. Nämä päästöt, pääosin CO2, ovat ilmastonmuutoksen merkittäviä kiihdyttäjiä. Ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi energian tuotanto ja liikenne ovat nopeasti siirtymässä kohti uusiutuvia energian lähteitä, kuten aurinko- ja tuulivoimaa. Niin sanotun ”vihreän siirtymän” myötä myös litiumioniakkujen kysyntä on räjähtänyt, etenkin sähköautojen suosion kasvaessa ja niihin liittyvien EU:n tavoitteiden myötä. Litiumioniakut ovat nykypäivän akkustandardeja ja niitä käytetään aina älykelloista ja viihde-elektroniikasta autoihin ja sähkölaitoksiin. Vaikka litiumakut ovat ladattavia, niiden teho laskee käytössä ja lopulta ne tulevat elinkaarensa loppuun. Akkujen kysynnän ja tuotannon kasvaessa, myös käytöstä poistettujen akkujen määrä tulee kasvamaan. Käytöstä poistetut litiumakut ovat ongelmajätettä, jonka vaikutukset luontoon ja ihmiseen voivat olla katastrofaaliset, jos niitä ei käsitellä oikein. Litiumakut sisältävät myös arvokkaita materiaaleja kuten kobolttia, nikkeliä ja litiumia. Sekä ympäristön että talouden kannalta akkujäte tulisi siis kierrättää. Akkukierrätys voi parantaa akkumateriaalien saatavuutta tarjoamalla sekundäärisen lähteen, vähentää kaivostoiminnan tarvetta, estää akkujätteen päätymistä luontoon ja tarjota taloudellista hyvinvointia. Litium-rautafosfaattiakut ovat litiumioniakkujen alatyyppi, joissa katodi koostuu litium-rautafosfaatista (LiFePO4 tai LFP). Muista litiumakuista poiketen LFP-akut eivät sisällä lainkaan kobolttia tai nikkeliä. Halvemmista materiaaleista, luotettavuudesta ja pitkäikäisyydestä johtuen LFP-akkujen suosio on jyrkässä kasvussa. Toisaalta halvemmat materiaaleit tekevät LFP-akkujen kierrätyksestä nykymetodeilla taloudellisesti kannattamatonta. Tämän kandidaatintyön tarkoitus on esitellä ja arvioida erilaisia LFP-akkujen suoran kierrätyksen menetelmiä ja niiden mahdollisuuksia toimia teollisessa mittakaavassa. Työ on tehty kirjallisuuskatsauksena ja aineistona käytetty alan tieteellisiä artikkeleja. Suoran kierrätyksen teollistamisen suurin este on prosessin herkkyys mahdollisille lisäaineille ja epäpuhtauksille akkujätteessä. Tästä syystä akkujätteen tarkka lajittelu ja esikäsittely on tarpeen, mikä lisää prosessin hintaa. Lajittelun ja esikäsittelyn helpottamiseksi akut tulisi suunnitella alusta lähtien kierrätettäviksi. Lisäksi akkujen elininkää tulisi pidentää uudelleenkäytöllä esimerkiksi muuntamalla vanhat sähköauton akut tuuli- tai aurinkovoimaloiden energianvarastoiksi. Nykyiset laboratoriotutkimukset viittaavat siihen, että suora kierrätys olisi toimiva ja taloudellisesti kannattava menetelmä LFP-akkujen kierrätykseen. Lisää tutkimusta ja käytännön näyttöä kuitenkin tarvitaan tukemaan suoran kierrätyksen kannattavuutta teollisessa skaalassa.

Description

Supervisor

Nieminen, Minna

Thesis advisor

Xiangze, Kong

Keywords

LiFePO4, cathode, lithium-ion battery, recycling, direct recycling, renewable energy

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202510077471

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM