Optimizing bioleaching of lithium from spent lithium iron phosphate batteries using response surface methodology

Abstract

Lithium, an important component in lithium-ion batteries, has been placed on the European Union’s critical raw material list. Recycling end-of-life lithium-ion batteries is crucial to preserving natural lithium resources. Current recycling processes do not focus on lithium, and lithium is often lost during recycling.

Current methods of recycling are either extremely energy intensive or utilize large quantities of hazardous chemicals. Bioleaching has been proposed as an alternative method to the current methods. Bioleaching is a more environmentally friendly method, as the leaching conditions are much milder. Bioleaching operates at mild temperatures, and much lower concentrations of hazardous chemicals are used.

In this work, bioleaching of spent lithium iron phosphate battery black mass is investigated. Bioleaching of spent lithium iron phosphate batteries requires optimization to operate at an industrial level. In this work, the significance of two different bacteria, and their mixed consortium is investigated. Additionally, the optimum pulp density and optimization of bi-oleaching medium are investigated.

Overall good leaching of lithium was achieved. Mixed consortium with lower pulp density was observed to have the highest leaching efficiency of lithium. The composition of the bioleaching medium did not have significant influence on leaching efficiency. This can reduce the operational costs, due to lower raw material costs.

Litium-ioni akkujen pääraaka-aine, litium, on lisätty Euroopan Unionin kriittisten raaka-aineiden listalle vuonna 2020. Käyttöiän lopussa olevien litiumakkujen kierrätys on erityisen tärkeää litium varantojen säästämisen näkökannasta. Nykyiset kierrätyskeinot eivät ota huomioon litiumia, joka usein tuhoutuu prosessien aikana.

Nykyiset kierrätysmenetelmät ovat joko erittäin energia intensiivisiä, tai käyttävät suuria määriä vaarallisia kemikaaleja. Bioliuotusta on ehdotettu vaihtoehtoisena menetelmänä nykyisten menetelmien sijalle. Bioliuotus on ympäristöystävällisempi menetelmä, sillä liuotus olosuhteet ovat paljon miedommat. Liuotus lämpötilat ovat huomattavasti alhaisemmat, eikä vaarallisia kemikaaleja tarvita suurissa pitoisuuksissa.

Tässä työssä tutkittiin litiumin bioliuotusta kuluneista litium rauta fosfaattiakusta. Kuluneiden litium rauta fosfaattiakkujen bioliuotus vaatii optimointia pystyäkseen toimimaan teollisessa mittakaavassa. Kahden eri bakteerin, sekä näiden konsortion vaikutusta arvioitiin tässä työssä. Lisäksi arvioitiin massatiheyden sekä bioliuotus median koostumuksen merkitystä liuotus tehokkuuteen.

Yleisesti litiumin liuotustehokkuus oli korkea. Kahden bakteerin konsortio, pienellä massatiheydellä oli kokeiden perusteella tehokkain. Bioliuotus median koostumuksella ei ollut kokeiden perusteella merkittävää vaikutusta liuotustehokkuuteen. Tämän johdosta operaatiokustannuksia voidaan laskea, sillä raaka-aineiden hinta pienenee.