Enhanced hydrometallurgical process flowsheet for recovery of valuable metals from Li-ion battery waste leachates

Abstract

The use of Li-ion batteries (LIBs) has increased rapidly over the past years with the increase in the use of electric devices and the growing interest toward electric vehicles. This increase also means that in the following couple of years, there will be a significant amount of waste batteries and efficient recycling methods are needed. The batteries can create significant environmental pollution if they are not properly treated. In addition, LIBs contain valuable metals such as cobalt and nickel making it desirable to recover the metals from them for reuse.

The aim of this Thesis was to provide a hydrometallurgical flowsheet suggestion for the recovery of pure metal solutions applicable to production of battery grade metal products. In the literature part the present hydrometallurgical methods used to recycle LIBs are discussed. Also, fluoride in LIBs and the possible hazards it poses to the recycling are considered. In the experimental part the suggested separation methods and their combinations were studied in practice with laboratory scale batch and continuous separation experiments. The migration of fluoride throughout the suggested recycling process was also monitored.

Based on the results of the experimental part it can be concluded that efficient recovery of valuable metals can be achieved with the suggested process. Copper can be efficiently recovered as pure copper sulfate with solvent extraction and iron can be removed as a hydroxide with precipitation. Manganese and aluminum can be recovered together with solvent extraction, but further optimization is still necessary. If manganese were to be extracted as pure product, aluminum would have to be removed at some other step such as in the pretreatment. The remaining cobalt and nickel can be separated together from lithium with solvent extraction. The produced cobalt and nickel sulfate solution could be utilized in precipitation of precursors in the manufacturing of new batteries. The last solvent extraction of cobalt and nickel was not fully optimized but it showed to be a promising alternative.

Litiumioniakkujen käyttö on lisääntynyt nopeasti viime vuosina, kun sähkölaitteiden käyttö on lisääntynyt ja kiinnostus sähköajoneuvoja kohtaan on kasvanut. Tämä kasvu tarkoittaa, että tulevina muutamina vuosina syntyy merkittävä määrä käytettyjä akkuja ja niille tarvitaan tehokkaita kierrätysmenetelmiä. Akut voivat aiheuttaa merkittäviä ympäristöhaittoja, jos niitä ei käsitellä asianmukaisesti. Lisäksi akut sisältävät arvokkaita metalleja, kuten kobolttia ja nikkeliä, mikä tekee kierrätyksestä vielä toivottavampaa.

Tämän työn tarkoituksena oli antaa ehdotus hydrometallurgisesta prosessikaaviosta puhtaiden metalliliuosten talteenottamiseen litiumioniakkujäteliuoksesta. Kirjallisuusosassa käsitellään nykyisiä hydrometallurgisia menetelmiä litiumioniakkujen kierrättämiseen. Huomioon on otettu myös akkujen sisältämä fluoridi ja sen tuomat mahdolliset vaarat kierrätykseen. Kokeellisessa osassa ehdotettuja menetelmiä ja niiden yhdistelmiä tutkittiin käytännössä laboratoriomittakaavassa panoskokeilla sekä jatkuvilla erotuskokeilla. Myös fluoridin kulkeutumista ehdotetussa kierrätysprosessissa seurattiin.

Kokeellisesta osuudesta saatujen tulosten perusteella voidaan päätellä, että arvokkaiden metallien tehokas talteenotto voidaan saavuttaa ehdotetulla prosessilla. Kupari voidaan ottaa talteen puhtaana kuparisulfaattina neste-nesteuuton avulla ja rauta voidaan poistaa hydroksidina saostamalla. Mangaani ja alumiini voidaan ottaa talteen yhdessä neste-nesteuuton avulla, mutta lisäoptimointi on edelleen tarpeen. Jos mangaani haluttaisiin saada puhtaana tuotteena, olisi alumiini poistettava jossain muussa vaiheessa, kuten esikäsittelyssä. Jäljellejääneet koboltti ja nikkeli voidaan erottaa yhdessä litiumista neste-nesteuutolla. Tuotettua koboltti- ja nikkelisulfaattiliuosta voitaisiin hyödyntää prekursorien saostamiseen uusien akkujen valmistuksessa. Viimeistä, koboltin ja nikkelin neste-nesteuuttoa ei optimoitu täysin, mutta se osoittautui lupaavaksi vaihtoehdoksi.