Development of a continuous ion exchange process for recycling of battery metals

Abstract

The demand for Li-ion batteries is growing continuously and rapidly. The transition to electric vehicles and the increasing production of devices like laptops and mobile phones continuously increase the Li-ion battery demand. The batteries contain many metals, the most valuable of which are lithium, cobalt and nickel.

The goal of this Thesis was to develop a continuous ion exchange process to separate lithium, cobalt and nickel from LIB waste leachate, while minimizing their loss and maximizing the purity of the product. The continuous process was constructed utilizing a simulated moving bed (SMB) system.

To achieve this goal, 21 single column experiments and 3 SMB experiments were conducted. The SMB experiments gave good results, and each experiment was able to be significantly improved. The biggest challenge in the developed process was the amount of cobalt lost, but in the final process the achieved loss was very low in comparison to other battery recycling methods.

Litiumioniakkujen kysyntä nousee nopeasti ja jatkuvasti. Siirtymä sähköajoneuvoihin ja pienlaitteiden kuten puhelimien ja tietokoneiden kasvava valmistusmäärä lisää niiden kysyntää. Litiumioniakut sisältävät monia metalleja, joista arvokkaimmat ovat litium, kobaltti ja nikkeli.

Tämän diplomityön tavoite oli kehittää jatkuvatoiminen ioninvaihtoprosessi litiumin, kobaltin ja nikkelin erotukseen litiumioniakkujen jätemateriaalista, samalla minimoiden tavoitemetallien menetyksen ja maksimoiden tuotteen puhtauden. Jatkuva prosessi rakennettiin hyödyntämällä simulated moving bed (SMB) systeemiä.

Tämän tavoitteen saavuttamiseksi toteutettiin 21 yhden kolonnin koetta ja 3 SMB koetta. SMB kokeista saadut tulokset olivat hyviä, ja niitä pystyttiin parantamaan huomattavasti jokaisen kokeen välillä. Kehitetyn prosessin suurin haaste oli kobaltin menetys, mutta lopullisessa prosessissa saavutettu menetys oli hyvin pieni muihin akkukierrätystapoihin verrattuna.