Lithium Recovery From Spent Battery Recycling Process Stream
Master thesis

Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3167460Utgivelsesdato
2024Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Den raske utvidelsen av litium-ion-batterier (LIB-er), spesielt i elektriske kjøretøy (EV-er), understreker det presserende behovet for en bærekraftig sirkulær forsyningskjede og effektive gjenvinningsmetoder for å gjenvinne verdifulle materialer fra brukte LIB-er og minimere miljøpåvirkningen. Denne avhandlingen fokuserer på utvikling av hydrometallurgiske prosesser i laboratorieskala for selektiv gjenvinning av litium fra avfalls-LIB-er. Nøkkeloperasjoner som ble undersøkt inkluderte co-presipitasjon for å fjerne ikke-litium elementer, kjemisk presipitasjon for litiumgjenvinning og antisolventkrystallisering for ytterligere litiumgjenvinning. Den syntetisk fremstilt mateoppløsningen for litiumgjenvinning besto av sulfat-salter av litium, nikkel, mangan, kobolt, kobber, aluminium og jern, sammen med ammoniumsulfat (NH4)2SO4. Co-presipitasjonsprosessen fjernet effektivt ikke-litiumioner (Ni2+, Mn2+, Co2+, Cu2+, Al3+, Fe2+) ved bruk av (NH4)2S, og oppnådde fjerningsrater på 90-100%. For kjemisk presipitasjon av Li+ som Li2CO3, ble presipitasjonsmidler som K2CO3 og (NH4)2CO3 testet. Å øke systemets pH med KOH og påfølgende presipitasjon med K2CO3 møtte utfordringer på grunn av tilstedeværelsen av ammoniumsulfat (∼ 3 M), noe som resulterte i dannelsen av komplekse kalium-ammoniakk-sulfatpresipitater og ingen litiumpresipitasjon, som analysert ved Microwave Plasma-Atomic Emission Spectroscopy (MP-AES) og røntgendiffraksjon (XRD). Antisolventkrystallisering etter (NH4)2CO3-basert litium presipitasjonsoperasjon, ved 60-70% (v/v) etanol, oppnådde opptil 97% gjenvinningsrater men med lavere renhet, som inneholdt ca. 1,2% og 2,85% elementært litium i presipitatet for henholdsvis 60% og 70% etanol. Presipitatet ble identifisert som et litium-kalium-ammoniakk-sulfatkompleks snarere enn Li2CO3 eller LiHCO3. Dermed er ytterligere optimalisering nødvendig for å rense dette komplekset og til slutt oppnå litiumkarbonat. Fremtidig utvikling kan inkludere høytemperaturkalsinering etterfulgt av karbonatisering for å fjerne ammoniakkbaserte urenheter og konvertere litiumsulfatkomplekset til Li2CO3. Utfordringer gjenstår med å håndtere systemets pH og kontrollere uønsket presipitatdannelse. I tillegg kan (NH4)2CO3-basert litium presipitasjonsprosess optimaliseres ved å øke mengden ammoniumkarbonat for å øke CO3(2–) og HCO3(–) ioner i systemet før antisolventkrystallisering for å forbedre litiumgjenvinningen. The rapid expansion of lithium-ion batteries (LIBs), especially in electric vehicles (EVs), underscores the urgent need for a sustainable circular supply chain and efficient recycling methods to recover valuable materials from spent LIBs and minimize environmental impact. This thesis focuses on developing lab-scale hydrometallurgical processes for the selective recovery of lithium from waste LIBs. Key operations investigated included co-precipitation to remove non-lithium elements, chemical precipitation for lithium recovery, and antisolvent crystallization for further lithium recovery. The synthetically made feed solution for lithium recovery consisted of sulfate salts of lithium, nickel, manganese, cobalt, copper, aluminium, and iron, along with ammonium sulfate (NH4)2SO4. The co-precipitation process effectively removed non-lithium ions (Ni2+, Mn2+, Co2+, Cu2+, Al3+, Fe2+) using (NH4)2S, achieving removal rates of 90-100%. For chemical precipitation of Li+ as Li2CO3, precipitating agents like K2CO3 and (NH4)2CO3 were tested. Increasing system pH with KOH and subsequent precipitation with K2CO3 faced challenges due to the presence of ammonium sulfate (∼ 3 M), resulting in complex potassium-ammonia sulfate precipitate formation and no lithium precipitation, as analyzed by Microwave Plasma-Atomic Emission Spectroscopy (MP-AES) and X-ray diffraction (XRD). Antisolvent crystallization following the (NH4)2CO3 based lithium precipitation operation, at 60-70% (v/v) ethanol achieved up to 97% recovery rates but with lower purity, containing about 1.2% and 2.85% elemental lithium in the precipitate for 60% and 70% ethanol, respectively. The precipitate was identified as a lithium-potassium-ammonia sulfate complex rather than Li2CO3 or LiHCO3. Thus, further optimization is needed to purify this complex and ultimately obtain lithium carbonate. Future development could include high-temperature calcination followed by carbonation to remove ammonia-based impurities and convert the lithium sulfate complex into Li2CO3. Challenges remain in managing system pH and controlling unwanted precipitate formation. Additionally, the (NH4)2CO3-based lithium precipitation process can be optimized by increasing ammonium carbonate to increase CO3(2–) and HCO3(–) ions in the system before antisolvent crystallization to improve lithium recovery.