Ion exchange in hydrometallurgical recycling of Li-ion battery metals : production of Li-Ni-Co mixture

Abstract

Use of Li-ion batteries (LIB) in hand-held devices and electric vehicles has skyrocketed in the last decade. 37% of the whole rechargeable battery market is LIBs. Recovery of these metals, mainly located in battery’s cathode, anode or electrolyte material is mainly accomplished with combination of pyro- and hydrometallurgical processes. In this thesis recycling of these valuable materials were studied. Focus was on ion exchange separation of impurity metals from battery leach liquor containing 15 g/l Co, 4.6 g/l Li and 1-2 g/l Al, Cu, Fe, Mn and Ni.

Breakthrough experiments were conducted in differing feed pH and temperatures to four resins. Lewatit TP260 chelating resin with aminophosphonic acid functional group proved to be the most promising, being able to remove Al, iron, Cu and Mn in pH of 1,8 and temperature of 60 °C. With this process two bed volumes (BV) was treated before bed need to be eluted. Part of iron and Al could not be removed from the resin with 2 M sulfuric acid elution thus blocking the active sites on the resin before the next loading step. Elution of the TP260 resin was therefore studied as a two-step process. With the use of 2 M sulfuric acid and 0.4 M potassium oxalate bed was successfully regenerated.

Two possible process paths emerged during research. All impurities can be removed with Aminophosphonic chelating resin with two eluents. On the other hand, impurity metals can be fractioned and separated from each other by using multiple resins. First removing iron, then Cu and lastly Mn and Al.

Litiumioniakkujen käyttö mobiililaitteissa ja sähköautoissa on räjähtänyt viimeisen vuosikymmenen aikana. 37% ladattavien akkujen markkinoista on litiumioniakkuja. Näiden metallien talteenotossa, joita löytyy pääasiassa akun katodi-, anodi- ja elektrolyyttimateriaaleista, käytetään hydro- ja pyrometallurgisia prosesseja. Tässä diplomityössä tutkittiin näiden arvokkaiden metallien talteenottoa ioninvaihdolla liuotetusta akkujätteestä, jonka metallipitoisuudet ovat 15 g/l Co, 4.6 g/l Li ja 1-2 g/l Al, Cu, Fe, Mn sekä Ni.

Läpäisykokeita tehtiin erilaisissa pH ja lämpötilaolosuhteissa neljällä eri ioninvaihtohartsilla. Lewatit TP260 gelatoiva hartsi aminometyylifosfonaatihappo funktionaalisella ryhmällä osoittautui lupaavimmaksi. Alumiinin, raudan, kuparin ja mangaanin poistaminen onnistui kyseisellä hartsilla 1,8 pH:ssa ja 60 °C lämpötilassa. Kaksi petitilavuutta syöttöä voitiin käsitellä, kunnes hartsi vaati eluointia. 2 M rikkihappoliuoksella ei kaikkea rautaa ja alumiinia saatu eluoitua hartsista ja tämä heikensi peräkkäisten erotusten kapasiteettiä. TP260 hartsin eluointia tutkittiin tämän takia kaksivaiheisena prosessina. 2 M rikkihapolla ja 0,4 M kaliumoksalaatilla hartsipeti eluoitui lähes täysin.

Tutkimuksessa löytyi kaksi mahdollista prosessia. Kaikki metallit voidaan poistaa aminometyylifosfonaattihartsilla ja kahdella eluoinnilla. Toisaalta epäpuhtausmetallit voidaan poistaa yksi kerrallaan ja samalla erottaa toisistaan käyttämällä useampaa hartsia. Ensin erotetaan rauta sitten kupari ja viimeisenä mangaani ja alumiini.