Circular-economy driven recovery of critical raw materials from End-of-Life lithium-ion batteries via electrochemical- and assisted leaching

Abstract

This thesis investigates the structural composition and recycling potential of lithium-ion batteries (LIBs), with a particular focus on the electrochemical leaching (ECL) of critical raw materials (CRMs) from end-of-life (EoL) LIBs. The work is divided into two main sections: the theoretical section offers a comprehensive review of LIB chemistry (e.g., LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4, NMC), component architecture, and operational mechanisms, emphasising the roles of cathode, anode, electrolyte, separator, and binder materials. It highlights the European Union’s circular economy (CE) framework, including targets and sector-specific challenges, and discusses the current status of LIB recycling, incentives, and risks associated with CRMs. The thesis also summarizes existing LIB recycling techniques and commercial processes worldwide, detailing their underlying principles.

The experimental section focuses on disassembly, characterisation, and leaching of the active materials black mass (BM) derived from end-of-life laptop spent LIBs. The BM was milled and sieved into five particle fractions, and ICP-MS and SEM-EDS analysis identified that the <75 μm fraction had the highest cobalt (38.9 wt%) and lithium (5.77 wt%). Three chemical leaching (CL) and two ECL tests were performed. CL achieved up to 89.3% Li and 37.3% Co leaching efficiencies, whereas ECL yielded 72.3% Li and 33.0% Co. These results indicate that higher acid concentrations and temperatures predominantly enhance Li and Co dissolution, whereas electrochemically-assisted leaching (EAL) improves Mn and Ni extraction. Overall, the findings underscore the promise of small-scale ECL reactors for selective CRM recovery and highlight the need for design optimization — alternative electrode materials, flow configurations, and pre-treatments — to enhance efficiency and scalability for sustainable LIB recycling.

Tämä diplomityö tutkii litiumioniakkujen (LIB) rakenteellista koostumusta ja kierrätyspotentiaalia, erityisesti elinkaarensa päässä olevista (EoL) poistuvista litiumioniakuista peräisin olevien kriittisten raaka-aineiden (CRM) sähkökemiallista liuotusta (ECL). Työ on jaettu kahteen pääosaan: teoreettisessa osiossa tarjotaan kattava katsaus litiumioniakkujen kemiaan (esim. LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4, NMC), komponenttien arkkitehtuuriin ja toimintamekanismeihin, korostaen katodin, anodin, elektrolyytin, erotuskalvon ja sideaineiden rooleja. Siinä tuodaan esiin Euroopan unionin kiertotalouskehyksen (CE) rakenne, mukaan lukien tavoitteet ja toimialakohtaiset haasteet, sekä käsitellään litiumioniakkujen kierrätyksen nykytilaa, kannustimia ja CRM liittyviä riskejä. Diplomityö tiivistää myös olemassa olevat litiumioniakkujen kierrätystekniikat ja kaupalliset prosessit maailmanlaajuisesti, kuvaillen niiden taustalla olevia periaatteita.

Kokeellisessa osassa keskitytään litiumioniakkujen aktiivimateriaalien mustan massan (BM) purkamiseen, karakterisointiin ja liuotukseen. BM on peräisin käytöstä poistuneista kannettavien tietokoneiden litiumioniakuista. BM jauhettiin ja seulottiin viiteen raekokojaksoon. ICP-MS- ja SEM-EDS-analyysien perusteella havaittiin, että alle 75 μm:n fraktiossa havaittiin korkein Co pitoisuus (38,9 painoprosenttia) ja Li (5,77 painoprosenttia) pitoisuudet. Kokeellisessa työssä suoritettiin kolme kemiallista liuotuskokeilua (CL) ja kaksi ECL. CL kokeissa Li liotustehokkuus ylsi enimmillään 89,3 %:iin ja Co 37,3 %:iin, kun taas ECL:ssä vastaavat luvut olivat 72,3 % Li:lle ja 33,0 % Co:lle. Tulokset osoittavat, että korkeammat happopitoisuudet ja lämpötilat edistävät erityisesti Li ja Co liukenemista, kun taas sähkökemiallisesti avustettu liotus (EAL) tehostaa Mn ja Ni talteenottoa. Kaiken kaikkiaan tulokset korostavat pienten ECL-reaktoreiden lupaavuutta CRM selektiivisessä talteenotossa ja osoittavat tarpeen optimoida reaktorin suunnittelua — hyödyntämällä vaihtoehtoisia elektrodimateriaaleja, erilaisia virtausasetelmia ja esikäsittelyjä — litiumioniakkujen kierrätyksen tehokkuuden ja skaalautuvuuden parantamiseksi.