Critical review on Li ion battery recycling technologies
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2017-06-13
Department
Major/Subject
Functional Materials
Mcode
CHEM3025
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
92
Series
Abstract
The purpose of this thesis is to offer a critical review of existing and emerging recycling technologies for lithium ion batteries (LiBs), based on a literature research. Additionally LiBs as sources of secondary raw materials are described, and the current status and possibilities of mechanical processing methods in LiBs recycling is studied. Five industrial and four emerging technologies are analysed in detail based mainly on information provided by scientific articles and patents. LiBs are used increasingly for providing energy to portable applications and electric mobility. The opera-tion principle of LiB is based on the layered active electrode materials that enable Li-ion insertion and transfer between the electrodes during discharge and charge. The performance and properties of LiB are especially dependent on the active cathode material. In present commercial LiB cells it consists of one of the five different compound types containing Co, Ni, Mn and Fe in different proportions, in addition to Li. Other materials in LiBs are graphite, Al and Cu foils, polymeric separator, electrolyte consisting of Li salt and organic materials, and the cell casing of stainless steel, Al or polymer. End-of-life batteries can have charge left, they can produce flammable and toxic gases, and they can contain flammable elemental Li – facts that have to be considered in recycling process. In the studied technologies, mechanical, pyrometallurgical and hydrometallurgical techniques are utilized in different combinations for the recovery of LiB materials. Usually pyrometallurgical or mechanical treatment starts the process, followed by hydrometallurgical recovery of the cathode materials. Pyrometallurgical treatment loses Al and Li in slag but has the capability of treating mixed feed. In mechanical treatment, more materials can be saved but extra attention is needed for safe handling of the batteries: the batteries are discharged prior to crushing, and/or comminution is carried out in protective medium. The crushed materials are separated with magnetic (Fe, SS) and density based materials (Al, Cu, polymers), and differing particle size of particular materials. Combination of several crushing and separation steps or thermal treatment can be used for improved detachment of active cathode material from the foil which is crucial for the success of the recovery of cathode materials in the following hydrometallurgical treatment. Only part of the once high-cost primary materials of the cell can be feasibly recycled to be used again. Co has been the driving force for recycling LiBs. Li is usually recovered in the end as a carbonate. For graphite and electrolyte recovery there exists methods, but the economic feasibility is questionable. Different organic materials have in general lost their value in the end-of-life of the cell. In some emerging technologies the goal is to produce cathode precursor material directly as an outcome of the mechanical and hydrometallurgical steps. This potentially saves more of the original cathode compound value, but requires also stricter processing conditions and control of the feed. Novel technologies consider the recovery other cathode compound materials than just Co, but are not able to treat the mixed cathode materials at the same time. Especially LiFePO4 is challenging material, because it has a low recycling value, and constitutes an impurity in the leaching process.Työssä analysoidaan teollisia ja orastavia litiumioniakkujen kierrätysteknologioita sekä mekaanisten prosessointimenetelmien asemaa ja mahdollisuuksia niiden osana. Analysoitavana on viisi teollista ja neljä orastavaa teknologiaa, ja tietolähteinä ovat pääasiassa tieteelliset artikkelit ja patentit. Litiumioniakkuja käytetään energialähteenä kannettavissa sovelluksissa ja sähkökäyttöisissä liikennevälineissä. Kennon toiminta perustuu elektrodimateriaaleihin, joiden kerroksittainen rakenne mahdollistaa litiumionien liikkumisen elektrodilta toiselle akkua purettaessa ja ladattaessa. Tämänhetkisissä kaupallisissa litiumioniakuissa aktiivinen katodimateriaali on yleensä jokin viidestä vaihtoehtoisesta siirtymämetalliyhdisteestä, jotka sisältävät litiumin lisäksi kobolttia, nikkeliä, mangaania tai rautaa eri yhdistelminä. Kenno sisältää myös grafiittia, kuparia ja alumiinia, litiumsuolasta ja orgaanisista yhdisteistä koostuvan elektrolyytin sekä polymeerierottimen elektrodien välissä. Kennokotelon materiaalina voi olla alumiini, ruostumaton teräs tai polymeeri. Kierrätysprosessissa on huomioitava, että kennoissa on useimmiten latausta jäljellä, ja anodille on käytön aikana voinut pelkistyä herkästi syttyvää alkuainelitiumia. Lisäksi kennoissa voi käsittelyn aikana muodostua herkästi syttyviä ja myrkyllisiä kaasuja. Tutkituissa kierrätysprosesseissa käytetään mekaanisten, pyrometallurgisten ja hydrometallurgisten tekniikoiden erilaisia yhdistelmiä. Katodimateriaalien talteenotto toteutetaan lähes aina hydrometallurgisella menetelmällä. Pyrometallurgian epäkohtana on, että alumiini ja litium menetetään kuonaan. Toisaalta pyrometallurgisen prosessin syötteenä voi olla laajempi materiaalien kirjo. Mekaanisessa prosessoinnissa suurempi osa materiaaleista voidaan ottaa talteen, mutta toisaalta akkujen turvallinen käsittely vaatii erityistä huomiota. Akut on purettava ennen murskausta, joka on lisäksi suoritettava suojakaasussa tai -liuoksessa. Murske voidaan jaotella eri materiaaleihin (rautapohjaiset materiaalit, alumiini, kupari, polymeerit) seulonnan sekä magneettisuuteen ja tiheyteen perustuvien menetelmien avulla. Useammilla murskaus- ja luokittelukerroilla tai lämpökäsittelyllä voidaan parantaa katodijauheen erottamista alumii-nista ja kuparista, mikä on tärkeää hydrometallurgisen liuotusprosessin onnistumiseksi. Vain osa alun perin arvokkaista kennon materiaaleista voidaan kannattavasti ottaa talteen. Erityisesti koboltti on ollut kannustin litiumioniakkujen kierrätykselle. Litium otetaan yleensä talteen karbonaattina. Grafiitin ja elektrolyytin talteenotolle on olemassa menetelmiä, mutta se ei ole taloudellisesti kannattavaa. Suurin osa orgaanisista materiaaleista on menettänyt arvonsa käytetyssä kennossa. Osassa nousevia teknologioita pyritään tuottamaan suoraan mekaanisen ja hydrometallurgisen käsittelyn tuloksena katodiyhdisteen esiastetta, kuten siirtymämetallioksidia. Näin menetellen säilytetään mahdollisesti enemmän alkuperäisen katodiyhdisteen arvosta, mutta haittapuolena on, että prosessointiolosuhteita ja syötteen koostumusta on vastaavasti kontrolloitava tarkemmin. Nousevat teknologiat pyrkivät pääsääntöisesti ottamaan talteen myös muita katodiyhdistemateriaaleja kuin koboltin, mutta ne eivät pysty käsittelemään erilaisia katodiyhdisteitä samalla kertaa. Haastavin katodimateriaali on litiumrautafosfaatti, jonka kierrätysarvo on alhainen ja jonka sisältämä rauta on epäpuhtaus koboltin, nikkelin ja mangaanin liuotusprosessissa.Description
Supervisor
Serna, RodrigoThesis advisor
Santasalo-Aarnio, AnnukkaKeywords
lithium-ion, battery, recycling, recovery, mechanical, circular
