Effect of additives on the hydrometallurgical leaching of lithium from LFP battery waste

Abstract

The use of lithium iron phosphate (LFP) batteries has grown considerably and with it the need for their efficient recycling. LFP batteries are used especially in electric vehicles due to their safety features and cost efficiency. Despite the need, currently the recycling rate for these batteries remains very low, as the cathode material lacks valuable materials, such as cobalt or nickel, which lowers the economic incentive. This has created a need for more effective and economically viable methods.

This bachelor's thesis reviews the recycling methods used for LFP batteries and how they are being optimised through the use of additives. The work is based on literature sources, from which a comprehensive review of the field has been compiled. This thesis presents the structure and working principles of LFP batteries as well as four key methods of recycling: pyrometallurgy, hydrometallurgy, biohydrometallurgy and direct regeneration. The main focus is on hydrometallurgical methods and the oxidising additives used with them for improving selectivity, such as hydrogen peroxide, sodium persulphate and sodium hypochlorite. The thesis also covers some significant recent research findings in this field.

The key takeaway from the thesis is that the choice of additive and dosage are critical factors for selectivity. From the recent findings, it becomes clear that the industry is moving towards methods that are more environmentally friendly and industrially scalable, in order to meet the growing need for recycling.

Litium rauta fosfaattiakkujen (LFP) käyttö on kasvanut huomattavasti ja samalla tarve niiden tehokkaalle kierrättämiselle on korostunut. LFP-akkuja käytetään etenkin sähköautoissa johtuen niiden turvallisuuden ja edullisen hinnan tuomista eduista. Tällä hetkellä kierrätysaste näille akuille on erittäin alhainen, koska katodimateriaali ei sisällä arvokkaita metalleja, kuten kobolttia tai nikkeliä. Tästä on syntynyt tarve entistä tehokkaammille ja taloudellisesti kannattavammille kierrätysmenetelmille.

Tässä kandidaatintyössä käydään läpi LFP-akkujen kierrätysmenetelmiä sekä sitä, miten niitä on optimoitu erilaisilla lisäaineilla. Työ pohjautuu kirjallisuuslähteisiin ja niiden perusteella on tehty kattava katsaus alan menetelmiin. Työssä esitellään LFP-akkujen toimintaperiaate ja rakenne sekä vertaillaan neljää keskeistä kierrätysmenetelmää; pyrometallurgiaa, hydrometallurgiaa, biohydrometallurgiaa ja suoraa regenerointia. Työn pääpaino on hydrometallurgisessa liuotuksessa käytettävien hapettavien lisäaineiden, kuten vetyperoksidin, natriumpersulfaatin, natriumhypokloriitin ja rautasuolojen, vertailussa ja niiden roolissa prosessin selektiivisyyden parantamisessa. Työssä käydään myös läpi muutama merkittävä uusi tutkimustulos tältä sektorilta.

Työssä tulee ilmi, kuinka lisäaineen valinta sekä annostelu suhteessa happopitoisuuteen ovat ratkaisevia tekijöitä selektiivisyyden osalta. Uusimmista merkittävistä löydöistä voidaan nähdä, että ala on siirtymässä kohti prosesseja, jotka ovat ympäristöystävällisempiä ja teollisesti skaalautuvia, jotta voidaan vastata kierrätyksen kasvavaan tarpeeseen.