Direct Lithium Extraction from Lithium-Ion Batteries of Electrical Vehicles

Abstract

Litium-ion-batterier har dominert elbilmarkedet som et resultat av deres høye energitetthet og gode elektrokjemisk ytelser. Den økende etterspørselen etter litium-ion-batterier er i stor grad drevet av elektrifiseringen i transportsektoren, noe som muliggjør en raskere overgang fra fossilt brensel. Denne økende globale etterspørselen etter elektriske kjøretøy og litium-ion-batterier stiller imidlertid spørsmål ved deres sirkularitet, noe som potensielt kan resultere i et alvorlig avfallsproblem og tap av verdifulle kritiske råvarer hvis de ikke behandles og resirkuleres på riktig måte. I dette arbeidet er det forsøkt å utvikle en prosess for tidlig fase av direkte litiumekstraksjon, fra en vannutlutet løsning av svart masse, hentet fra hydrometallurgisk utluting. Vann ble brukt som et utlutingsmiddel under alkaliske pH-forhold for å redusere bruken av sterke syrer og for å selektivt utløse litium som hovedforbindelse i løsning. Adsorpsjon gjennom ionebytting ble videre studert som en potensiell direkte litiumekstraksjonsteknikk fra løsning.

Resultatene viser at effekten av temperatur var ubetydelig på gjenvinningen av litium under utvinning, og ga den høyeste utvinningen på 17% ved 25 grader C og lave innledende forhold mellom faststoff og væske på 20 g/L. Dessuten ble den mest selektive pH-betingelsen for oppløsning av litium funnet til å være 10. Den høyeste oppløsningen av litium ble oppnådd for det høyeste faststoff-væskeforholdet på 150 g/L, noe som ga en utvinning på 7,27-9,32%, som bekrefter en redusert utlutningseffektivitet, i motsetning til det laveste faststoff-væskeforholdet på 20 g/L, hvor høyere utlutningseffektivitet ble oppnådd (14,76-17%).

Fra den direkte litiumekstraksjonsstudien ble det funnet at Amberlite Na-form og Molecular Sieve 13X hadde begrenset ytelse når det gjelder litiumekstraksjon, og ga henholdsvis 26,70% og 21,83%, som et resultat av konkurrerende natriumioner i løsning. Den høyeste litiumekstraksjonen for lavere initial litiumkonsentrasjon ble oppnådd for et faststoff-væskeforhold på 60 g/L med Amberlite H-form, noe som ga 93,83% ekstraksjon. Desorpsjon med HCl viste høye desorpsjonsutbytter på 96,61%, og gjenvinnet totalt 88,78% litium fra løsning. For høyere initialkonsentrasjoner av litium ble det derimot observert lavere ekstraksjonshastigheter som et resultat av høyere mengder konkurrerende natriumioner i løsning, noe som ga den høyeste ekstraksjonen på 57,92% for et faststoff-væskeforhold på 60 g/L. Gjenbrukte Amberlite H-form harpikser viste lovende resultater som ga > 90% ekstraksjonskapasitet, sammenlignet med ferske Amberlite H-form harpikser for ett ekstra eksperiment for lavere initial konsentrasjon av litium. Videre ble den høyeste oppløsningen av fluor oppnådd for høye faststoff-væske-forhold på 150 g/L og fremmet i nærvær av natriumioner og alkaliske pH-forhold.

Lithium-ion batteries have dominated the electric vehicle market as a result of their high energy density and good electrochemical performance. The growing demand for lithium-ion batteries is largely driven by the electrification in the transportation sector, allowing for a faster transition from fossil fuels. However, this growing global demand for electrical vehicles and lithium-ion batteries pose questions regarding their circularity, potentially resulting in a serious waste problem and loss of valuable critical raw materials if not properly treated and recycled. In this work, an attempt has been made to develop a process for the early-stage direct lithium extraction from a water leached solution of black mass, obtained from hydrometallurgical leaching. Water was employed as leaching agent in alkaline pH conditions to diminish the usage of harsh acids and to selectively dissolve lithium as the majority compound in solution. Adsorption through ion exchange was further studied as a potential direct lithium extraction technique from leachate.

The results demonstrate that the effect of temperature was negligible on the recovery of lithium during leaching, yielding the highest recovery of 17% for 25 degree C and low initial solid-liquid ratios of 20 g/L. Moreover, the most selective pH condition for the dissolution of lithium was found to be 10. The highest dissolution of lithium was achieved for the highest solid-liquid ratio of 150 g/L, yielding a recovery of 7.27-9.32%, confirming a reduced leaching efficiency, in contrast to the lowest solid-liquid ratio of 20 g/L, where higher leaching efficiencies were achieved (14.69-17%).

From the direct lithium extraction study it was found that Amberlite Na-form and Molecular Sieve 13X had limited performance in terms of lithium extraction, yielding 26.70% and 21.83% respectively, as a result of competing sodium ions in the leachate. The highest lithium extraction for lower initial lithium concentration was achieved for a solid-liquid ratio of 60 g/L with Amberlite H-form, yielding 93.83% extraction. Desorption with HCl demonstrated high desorption yields of 96.61%, recovering in total 88.78% lithium from the water leachate. In contrast, for higher initial concentrations of lithium, lower extraction rates were observed as a result of higher amounts of competing sodium ions in the water leachate, yielding the highest extraction of 57.92% for a solid-liquid ratio of 60 g/L. Reutilized Amberlite H-form resins showed promising results yielding > 90% extraction capacity, compared to fresh Amberlite H-form resins for one additional experiment for lower initial concentration of lithium. Moreover, the highest dissolution of fluoride was achieved for high solid-liquid ratios of 150 g/L and promoted in the presence of sodium ions and alkaline pH conditions.