Leaching and Modelling of LIB Black Mass (BM) for Metal Recovery

Abstract

På grunn av el-bilmarkedets eksponentielle vekst blir et stort antall Li-Ion-batterier (LIB-er) introdusert i samfunnet. Både essensielle råvarer og potensielt skadelige kjemikalier finnes i disse batteriene, og de etablerte teknologiene for å behandle batteriene etter bruk, er i dag utilstrekkelige for å nå høye resirkuleringsrater fra de verdifulle materialene som finnes i de heterogene avfallsstrømmene. Giftige avfallsstrømmer og høy reagensbruk i uoptimale resirkulering operasjoner har i tillegg en negativ påvirkning på miljøet. Forbedring av behandlingsmetoder etter bruk av LIB-er er derfor blitt et hovedfokus innen miljøforskning.

De mest konvensjonelle måtene å resirkulere LIB-er på, er gjennom en kombinasjon av pyrometallurgiske og hydrometallurgiske enhetsprosesser. Denne masteroppgaven tar for seg \textit{leaching} av både ubehandlede og termisk behandlede Black Mass (BM) prøver, forkortet BM-U og BM-T, hentet fra ERAMET IDEAS pilotanlegg i Trappes, Frankrike. For å optimalisere leaching-prosessen ble forskjellige leaching-forhold testet for å undersøke systemets respons, samt metallgjenvinningen (leaching-effektiviteten). Temperatur og mengde syre og reduksjonsmiddel tilsatt i systemt, var parameterene som ble variert i forsøkene. Leaching-systemene ble også modellert ved hjelp av den kommersielle termodynamiske programvaren HSC Chemistry 9 og en kinetisk Python-modell utviklet i dette arbeidet, for å forutsi oppførselen til ulike elementene. Målet var finne de optimale leaching-forholdene som skal brukes i den eksperimentelle delen av arbeidet.

En Scanning Electron Microscope (SEM)-enhet utstyrt med Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) ble brukt til å karakterisere BM-U- og BM-T-prøvene, i tillegg til Solid Residue (SR) prøver fra industrielle leaching-eksperimenter.

I løpet av de seksten leaching-eksperimentene som ble utført, ble det ekstrahert leaching-prøver for videre analyse med Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS). Resultatene ble, sammen med de beregnede BM-sammensetningene fra SEM-EDS-analysene, brukt for å modellere leaching-eksperimentene. Leaching-eksperimentet med testbetingelsene AO7 (20 mL H2SO4 (2,03 M), 5 mL H2O2 (2,5 M), og 60 °C) ga den høyeste leaching-effektiviteten for BM-T-prøvene med 55,7% for Litium (Li), 51,3% for Nikkel (Ni), 26,1% for Mangan (Mn) og 53% for Kobolt (Co). Det tilsvarende leaching-systemet for BM-U prøvene (testbetingelsene AO15) ga også høyest leaching-effektivitet for disse prøvene, med 28,4% for Li, 27,7% for Ni, 28,5% for Mn, og 29,5% for Co. De samlede resultatene viste at høyere temperatur og tilsetning av reduksjonsmiddel ga den høyeste leaching-effektiviteten for alle elementer, med generelt høyere verdier for BM-T. Økning av mengde syre påvirket ikke leaching-effektiviteten i stor grad, antagligvis grunnet et overskudd av syre i systemet før tilsetning

Modelleringen beregnet i HSC Chemistry 9 ga 100% leaching-effektivitet for alle elementene i alle leaching-systemene og ble ikke ansett som et egnet verktøy for å modellere leaching-forsøkene. Den kinetiske Python-modellen viste lignende trender som de fakiske eksperimentene, dog høyere leaching-effektivitet. Det ble konkludert med at systematiske feil i den eksperimentelle prosedyren trolig var årsaken til dette avviket.

Numerous Li-Ion Batteries (LIBs) are being introduced into society, primarily due to the electric vehicle market’s exponential growth. Both essential raw materials and potentially harmful chemicals are present in these batteries, and the established end-of-life treatment technologies available today are insufficient in view of reaching high recycling rates of the valuable materials present in this heterogeneous waste stream. Furthermore, toxic waste stream residues and high reagent usage in unoptimised recycling operations have negatively affected the environment. Consequently, end-of-life treatment improvements for LIBs have become a primary focus of environmental research.

The most conventional ways of recycling LIBs are through a combination of pyrometallurgical and hydrometallurgical unit processes. The present work addresses the leaching of both untreated and thermally treated Black Mass (BM) samples, i.e., BM-U and BM-T, retrieved from ERAMET IDEAS pilot facilities in Trappes, France. To optimise the leaching process, different leaching conditions were tested to investigate the system’s response, as well as metal recovery (leaching efficiency). The parameters varied were temperature, and the amounts of acid and reductant added to the system. The leaching systems were also modelled using the commercial thermodynamic software HSC Chemistry 9 and a kinetic Python model developed in the present work to predict the behaviour of different elements and thereby find the optimal leaching conditions to be used in the experimental part of the work.

A Scanning Electron Microscope (SEM) unit equipped with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) was used to characterise the BM-U and BM-T samples, as well as the Solid Residue (SR) originating from industrial leaching experiments.

During the sixteen leaching experiments performed, leachate samples were extracted for further analysis by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS). The obtained results were used together with the calculated BM compositions from the SEM-EDS analysis to model the leaching experiments. The leaching experiment with test conditions AO7, i.e., 20 mL H2SO4 (2.03 M), 5 mL H2O2 (2.5 M), and 60 °C, gave the highest leaching efficiencies for the BM-T samples with 55.7% for Lithium (Li), 51.3% for Nickel (Ni), 26.1% for Manganese (Mn), and 53% for Cobalt (Co). The corresponding leaching system for the BM-U samples, i.e., test conditions AO15, also gave the highest leaching efficiencies for these samples, with 28.4% for Li, 27.7% for Ni, 28.5% for Mn, and 29.5% for Co. The overall results proved that higher temperatures and additions of reductant gave the highest leaching efficiencies for all elements, with generally higher values for the BM-T. Increasing the amount of acid did not significantly impact the leaching efficiency, possibly due to an already surplus of acid in the system.

In view of the modelling, HSC Chemistry 9 calculated 100% leaching efficiency for all elements in all leaching systems and was not considered a suitable tool for modelling the leaching experiments. The kinetic Python model showed similar trends to the actual experiments but higher leaching efficiencies. It was concluded that systematic errors in the experimental procedure were probably the reason for this deviation.