Early-stage recovery of lithium by solvent extraction at low pH from battery recycling process circuit

Abstract

While the demand for lithium-ion batteries (LIBs) is increasing, the need for their efficient recycling for recovery of valuable metals is becoming increasingly important. As conventional methods in hydrometallurgy for Li recovery focus on the final stage of the black mass recycling process, Li losses along the process are inevitable. Direct Li extraction from the leachate prior to other elements could be beneficial in terms of high efficiency. Selective separation of Li from multi-component acidic solution encounters challenges because of the co-extraction of other metals.

The focus of this thesis is on the suitability of crown ether-based systems for Li extraction from acidic battery metals leachate. In the literature part, hydrometallurgical recovery routes of the waste LIBs and the challenges in the selective extraction of Li are studied with emphasis on crown ether systems. In the experimental part, two crown ethers, benzo-12- crown-4 ether (B12C4) and benzo-15-crown-5 ether (B15C5), are used as alternative lithium extractants from synthetic aqueous LIB waste leachate solution (0.45–0.63 g/L Li, 2.90–3.10 g/L Ni, 1.45–1.55 g/L Mn, 1.45–1.55 g/L Co, 1.45–1.55 g/L Cu, 0.7–8.00 g/L Fe, 1.25–1.35 g/L Al). Kerosene and dichloromethane are used as organic diluents. Different extraction parameters and conditions are studied, followed by theoretical process design for estimating theoretical number of counter-current stages using the McCabe-Thiele method.

Based on the results, the B15C5/FeCl3 system with dichloromethane as the organic diluent provided a highly selective method for Li extraction from chloride solution in pH of 0–1. In single-stage experiments, the extraction efficiency of Li was 96.1%. For organic phase containing 0.5 M B15C5, the loading capacity was 1.76 g/L for 0.55 g/L Li feed. By applying McCabe-Thiele method on the loading isotherm, optimal organic-to-aqueous ratio (O/A) under these conditions was found to be 1:3.

Litiumioniakkujen (LIB) kysynnän kasvaessa, myös tarve niiden tehokkaaseen kierrätykseen korostuu. Arvometallien, kuten litiumin, talteenotto käytetyistä akuista on kiertotalouden kannalta tärkeää. Perinteisissä metodeissa Li talteenotto keskittyy kierrätysprosessin loppuvaiheeseen, mikä johtaa Li-häviöihin. Uuttamalla Li talteen ennen muiden metallien talteenottoa, sen saantoa voidaan kasvattaa. Litiumin selektiivinen erotus matalassa pH:ssa liuoksesta, joka sisältää myös muita arvometalleja, on ollut haastavaa, sillä useimmat uuttomenetelmät suosivat kilpailevien metallien uuttumista.

Tämä työ keskittyy kruunueettereihin perustuvien systeemien soveltuvuuteen Li uuttoon matalan pH:n liuoksista. Kirjallisuusosassa käsitellään litiumioniakkuja ja niiden hydrometallurgista kierrätystä, sekä litiumin uuttoa kruunueettereillä. Kokeellisessa osassa tutkitaan kahta kruunueetteriä, bentso-12-kruunu-4 eetteriä (B12C4) ja bentso-15-kruunu-5 eetteriä (B15C5), vaihtoehtoisina litiumin uuttoaineina synteettisestä akkukierrätysliuoksesta (0.45–0.63 g/L Li, 2.90–3.10 g/L Ni, 1.45–1.55 g/L Mn, 1.45–1.55 g/L Co, 1.45–1.55 g/L Cu, 0.70–8.00 g/L Fe, 1.25–1.35 g/L Al). Uuttoparametreja ja -olosuhteita tutkitaan, jonka jälkeen tehdään alustavaa prosessisuunnittelua vastavirtaprosessin teoreettisten askelten määrittämiseksi McCabe-Thiele menetelmällä.

Tulosten perusteella B15C5/FeCl3 systeemi, jossa dikloorimetaania käytettiin orgaanisena liuottimena, tarjosi selektiivisen menetelmän litiumin uuttoon kloridiliuoksesta pH:n ollessa 0–1. Panoskokeiden perusteella litiumin erotustehokkuus oli 96.1%. Orgaanisen faasin sisältäessä 0.5 M B15C5 ja syötön Li-pitoisuuden ollessa 0.55 g/L, latauskapasiteetti oli 1.76 g/L. McCabe-Thiele-menetelmän perusteella optimaalinen orgaanisen ja vesifaasin (O/A) - suhde näissä olosuhteissa oli 1:3.