Recovery of under recycled elements from lithium-ion batteries
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
CHEM3044
Degree programme
Language
en
Pages
88
Series
Abstract
Securing energy for the future is a global challenge. In the automotive industry, the internal combustion engines contribute to the greenhouse gas emissions which is not sustainable. One solution for the problem is electric vehicles that operate with lithium-ion batteries. To secure sustainable energy for future generations, recycling these batteries and their components is crucial. One of the key elements of the batteries, lithium, is not properly recycled and recovered in the current industrial recycling processes even though it may become a bottle neck for the manufacturing of the batteries. In the literature part of the thesis, the composition of lithium-ion batteries, state-of-the-art recycling processes for the batteries and recycling options of the under recovered elements are presented. The purpose of the literature study was also to provide a clearer picture which methods could be suitable for the recovery of lithium. In the experimental part of the thesis, three Li-recovery cases were simulated with HSC Sim 9 software. The purpose of the simulations was to investigate the recovery of lithium as Li2CO3, Li3PO4 or LiOH from spent lithium-ion batteries in a hydrometallurgical process on an industrial scale. The recovery of lithium in all three cases was modelled successfully. Based on the process simulations, the recovery percentage for Li2CO3 was 75%, for Li3PO4 96% and for LiOH 76%. Although the yield was the highest for Li3PO4, it created the highest amount of wastewaters, Li3PO4 is not directly utilized as a raw material in LIBs manufacturing and would therefore require further treatment. Also, only one literature source was utilized in determining the parameters for Li3PO4 recovery. Recovery as Li2CO3 resulted in the highest energy consumption and created more solid waste and wastewaters than the case where lithium was recovered as LiOH. In the recovery of LiOH, some errors in simulation were evident due to Na+ and SO42- ions accumulation into the mother liquid, however this was solved by directing the stream to the neutralization of the wastewaters. Hydrometallurgy together with mechanical pre-treatment is a feasible solution for recovering lithium from lithium-ion batteries on an industrial scale. The results of the study provided more insight on the mass and energy balances of the three lithium products when different possible Li-recovery methods were being compared.Energian saatavuuden turvaaminen tulevaisuudessa on globaali haaste. Autoteollisuudessa polttomoottorit tuottavat kasvihuonekaasuja, mikä ei ole kestävää. Yksi ratkaisu tähän ongelmaan on sähköajoneuvot, jotka toimivat litiumioniakuilla. Jotta tuleville sukupolville voidaan turvata kestävää energiaa, näiden akkujen ja niiden komponenttien kierrätys on välttämätöntä. Näiden akkujen yhtä tärkeimmistä elementeistä, litiumia, ei vielä kierrätetä kunnolla ja oteta talteen nykyisissä teollisissa kierrätysprosesseissa, vaikka se voi muodostua pullonkaulaksi akkujen valmistusprosesseissa. Tämän työn kirjallisuusosuudessa litiumioniakkujen rakenne, viimeisimmät kierrätystekniikat ja elementtien, joiden talteenotto on vielä vähäistä, talteenottotekniikoita esitellään. Kirjallisuusosion tarkoitus oli myös auttaa hahmottamaan paremmin, mitkä tekniikat voisivat sopia litiumin talteenottoon. Työn kokeellisessa osuudessa, kolme tapausta simuloitiin HSC Sim 9 -ohjelmalla. Simu-laatioiden mallien tarkoituksena oli tutkia litiumin talteenottoa Li2CO3:na, Li3PO4:na tai LiOH:na käytetyistä litiumioniakuista hydrometallurgisessa prosessissa teollisessa skaalassa. Litiumin talteenotto mallinnettiin onnistuneesti jokaisessa tapauksessa. Prosessisimulaatioiden perusteella Li2CO3:n talteenottoprosentti oli 75%, Li3PO4:n oli 96% ja LiOH:n oli 76%. Vaikka Li3PO4:n oli korkein, sen talteenotto tuotti suurimman määrän jätevettä, Li3PO4:a ei käytetä raaka-aineena litiumioniakkujen tuotannossa vaan tarvitsisi vielä jatkokäsittelyn. Lisäksi vain yhtä kirjallisuuslähdettä käytettiin parametrien Li3PO4:n talteenotossa. Li2CO3:n talteenotto johti suurimpaan energiankulutukseen, ja kiinteän jätteen ja jäteveden määrään verrattuna LiOH:n talteenottoon. LiOH:n talteenotossa simulaatiossa tuli virhe -viestejä Na+ ja SO42- -ionien akkumuloitumisen vuoksi emäliuoksessa. Tämä kuitenkin ratkaistiin ohjaamalla virta jätevesien neutralointiin. Hydrometallurgia yhdessä mekaanisen esikäsittelyn kanssa on toteuttamiskelpoinen ratkaisu litiumin talteenottoon litiumioniakuista teollisessa mittakaavassa. Tämän työn tulokset syvensivät ymmärrystä kolmen eri litiumtuotteen massa- ja energiataseista, kun näitä kolmea eri talteenottotekniikkaa verrattiin keskenään.Description
Supervisor
Lundström, MariThesis advisor
Rinne, MarjaKuznetsova, Anna