| dc.description.abstract | Lithium-ion-batterier (LIB) er effektive energilagringsenheter og er i bunnen av gjeldende overganger som skjer mot elektriske kjøretøy fra biler med forbrenningsmotorer. Denne overgangen kan redusere klimagassutslippene, men utgjøre en alvorlig miljømessig bekymring når det gjelder håndtering av brukte LIBer og anskaffelse av råvarer for å produsere nye batterier. Fra et bærekrafts- og sirkularitetssynspunkt er det avgjørende at metallene i disse LIB-ene resirkuleres i verdikjeden slik at sløyfen lukkes. Det finnes flere prosesser som kan resirkulere høyverdimetaller fra LIB-er som Ni og Co med prioritet, men en slik trend er begrenset når det gjelder Li. Siden Li er i hjertet av denne overgangen, må etterspørselen deres dekkes med en robust forsyning på en bærekraftig og sirkulær måte i stedet for dens jomfruelige gruvedrift og utvinning fra saltlake.
I denne oppgaven er det forsøkt å utvikle en enhetlig prosess som kan resirkulere ulike typer BM-er fra brukte LIB-er med Li som en prioritet. En slik tilnærming gjør det mulig for hydrometallurgiske industrier å kjøpe svart masse fra forskjellige resirkuleringsselskaper og mate inn i prosessen deres uavhengig av forbehandlingen siden prosessforholdene er optimalisert for kun å lekke Li. Den utviklede prosessen for selektiv Li-utvinning benyttet vannutluting i det første trinnet for å utlute og utfelle Li, og de gjenværende metallene ble utlutet ved den påfølgende utlutingen av uorganisk syre. To typer forskjellig forbehandlede BM-er, nemlig Hydro og Pyro, ble brukt for å optimalisere vannutlekkingsforholdene og filterkakene ble utlutet med 2M H2SO4 og 7,5 vol% H2O2 for å gjenvinne NMC-metallene i den påfølgende prosessen. Hele prosessen ble validert med en tredje type BM kalt P417.
Utviklingen av vannlutingsprosessen ble delt inn i tre trinn. Det første trinnet, kalt undersøkelse, utforsket de grunnleggende trendene for selektiv Li-utvinning, andre trinn optimaliserte temperaturen, pH og utlutningstiden, og det siste trinnet validerte de utviklede vannutlekkingsforholdene. De optimale forholdene som ble funnet var pH 10, 30 minutter og Li-utlutningseffektiviteten var nesten lik ved 250C og 800C, med senere de høyeste verdiene. Validering av de utviklede vannlekkeforholdene ble gjort ved både 20 g/l og 150 g/l s/l forhold, og utfelling av Li fra begge disse utlutningsvannene ble forsøkt og sammenlignet. Li-utlutningseffektiviteten ble funnet å være 15,2 %, 66,5 % og 67,7 % med konsentrasjon i løsningen 113 mg/l, 527 mg/l og 74 mg/l for henholdsvis Hydro, Pyro og P417 BM. Den eneste urenheten til stede var Al. Utlutningseffektiviteten for Pyro BM ble økt til 73 % ved pH 12, men den ble ikke valgt fordi Al- og Na-konsentrasjonen også økte ved denne pH. En så lav konsentrasjon av Li krevde total fordampning fordi utfellingen og produktfordelingen var bred og måtte vaskes med vann. Li-utlutningseffektiviteten ved 150 g/l var 11,9 %, 37,3 og 52 % med konsentrasjon i løsning 723 mg/l, 2423 mg/l og 494 mg/l for Hydro, Pyro og P417 BM. Det ble funnet at ved høy s/l var konsentrasjonen av Al i løsning ved optimalisert tilstand lav sammenlignet med 20 mg/l. Den høye konsentrasjonen av Li i 150 g/l vann sigevann muliggjorde utfelling med tilsetning av natriumkarbonat ved å redusere volumet og effektiviteten på 95 %, 90 % og 80 % for Hydro, Pyro og P417 BM ble oppnådd med rent produkt av Li2CO3 og LiF. De resterende Li- og NMC-metallene ble utlutet med en effektivitet på rundt 90 % i den påfølgende uorganiske utlutingen. Det er utviklet en enhetlig prosess som kan optimaliseres ytterligere ved høye s/l-forhold dersom anbefalingene gitt i fremtidig arbeid undersøkes. | |
| dc.description.abstract | Lithium-ion batteries (LIBs) are efficient energy storage devices and are at the base of current transitions happening towards electric vehicles from internal combustion engines automobiles. This transition may reduce the GHG emission but pose a serious environmental concerns in terms of handlings spent LIBs and acquiring raw materials to manufacture new batteries. From the sustainability and circularity point of view it is imperative that the metals enclosed in these LIBs should be recycled in the value chain such that the loop is closed. There exists several processes that can recycle high value metals from LIBs such as Ni and Co with priority but such trend is limited in terms of Li. Since, Li is in the heart of this transition thus its demand needs to be met with a robust supply in a sustainable and circular way rather than its virgin mining and extraction from Brines.
In this thesis an attempt has been made to develop a unified process that can recycle different type of BMs from spent LIBs with Li as a priority. Such an approach enables hydrometallurgical industries to buy black mass from different recyclers and feed in to their process irrespective of the pretreatment since the process conditions are optimized to only leach Li. The developed process for selective Li recovery employed water leaching in the first step to leach and precipitate Li and the remaining metals were leached by the subsequent inorganic acid leaching. Two types of differently pretreated BMs, namely Hydro and Pyro, were used to optimize the water leaching conditions and the filter cakes were leached with 2M H2SO4 and 7.5 vol% H2O2 to recover the NMC metals in the subsequent process. The whole process was validated using a third type of BM called P417.
The development of the water leaching process was divided in three steps. The first step, named as investigation, explored the basic trends for selective Li recovery, second step optimized the temperature, pH and leaching time and the final step validated the developed water leaching conditions. The optimum conditions found were pH 10, 30 min and the Li leaching efficiencies were almost similar at 250C and 800C, with later giving the highest values. Validation of the developed water leaching conditions was done at both 20 g/l and 150 g/l s/l ratios and precipitation of Li from both these leachates was attempted and compared. The Li leaching efficiency was found to be 15.2%, 66.5% & 67.7% with concentration in solution 113 mg/l, 527 mg/l and 74 mg/l for Hydro, Pyro and P417 BMs, respectively. The only impurity present was Al. The leaching efficiency for Pyro BM was increased to 73% at pH 12 but it was not selected because Al and Na concentration also increased at this pH. Such a low concentration of Li called for total evaporation for its precipitation and product distribution obtained was broad and needed to be washed with water. The Li leaching efficiency at 150 g/l was 11.9 %, 37.3, & 52% with concentration in solution 723 mg/l, 2423 mg/l and 494 mg/l for Hydro, Pyro and P417 BMs. It was found that at high s/l the concentration of Al in solution at optimized condition was low as compared to 20 mg/l. The high concentration of Li in 150 g/l water leachate enabled precipitation with the addition of sodium carbonate by reducing the volume and the efficiencies of 95%, 90% and 80% for Hydro, Pyro and P417 BMs were achieved with pure product of Li2CO3 and LiF. The remaining Li and NMC metals were leached with an efficiency of around 90% in the subsequent inorganic leaching. A unified process has been developed which can be further optimized at high s/l ratios if the recommendations given in future work are investigated. | |