Non-contact bioleaching of black mass from waste lithium-ion batteries
Meriläinen, Karri (2024)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2024052917984
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2024052917984
Tiivistelmä
Opinnäytetyössä tutkittiin epäsuoran bioliuotuksen soveltuvuutta litiumioniakkujen kierrätykseen osana FuLIBatteR-projektia. Kahdessa kokeessa tutkittiin neljää akkutyyppiä sekä kahta eri massatiheyttä. Onnistuneiden laboratoriokokeiden pohjalta toteutettiin vielä kaksi lisätestiä, joissa tutkittiin katalyyttien vaikutusta liuotukseen, kuitenkin keskittyen vain nikkelimanganaasikobolttiakkuihin (NMC).
Kaikissa kokeissa käytettiin bakteerien tuottamaa rikkihappoa ja onnistuneet liuotukset havaittiin pH:n ja hapettumis- ja pelkistymispotentiaalin (redox) muutoksina. Liuotuksen tehokkuusprosentit laskettiin induktiivisesti kytketyn plasmaoptisen emissiospektrometrin (ICP-OES) ja elektronimikroskoopin (SEM/EDS) tuloksista.
Epäsuora bioliuotus osoittautui tuloksien pohjalta potentiaaliseksi litiumioniakkujen kierrätystavaksi. Kokeissa käytettiin onnistuneesti korkeita massatiheyksiä ja lyhyttä reaktioaikaa. Litiumin ja manganaasin liuotukseen katalyytit eivät ole välttämättömiä, kuitenkin koboltin liuotuksessa niillä oli merkittävä vaikutus. Osa metalleista saostui korkeiden katalyyttikonsentraatioden takia. Katalyyttien yhtäaikainen käyttö osoittautui kannattamattomaksi, tähän liittyvien jatkotutkimuksien kannattavuus on syytä arvioida erikseen.
Tämä opinnäytetyö mahdollistaa jatkotutkimukset suuremmilla massatiheyksillä, erilaisilla akkutyypeillä tai esimerkiksi ultraäänen lisäämisen liuotuksen tehostamiseksi. Näissä tutkimuksissa tulisi käyttää suurempia näytemääriä parantamaan tulosten luotettavuutta. The thesis aimed to investigate the viability of non-contact bioleaching in lithium-ion battery (LIB) recycling in the FuLIBatteR project. A total of four experiments were conducted, whereby the first two experiments investigated different pulp densities with four different battery types. The following two experiments studied how catalysts affect leaching, focusing solely on one LIB type having lithium nickel manganese cobalt oxides (NMC) as cathode material.
Bacteria-produced sulphuric acid was used for the leaching experiments of this thesis. Successful leaching was observed through pH and redox changes and leaching efficiencies were calculated from inductively coupled plasma optical emission spectrophotometry and a scanning electron microscope with elemental analysis.
The results indicated that non-contact leaching is a potential method in lithium-ion battery recycling. Leaching experiments were successful with high pulp densities and fast experimental times. Catalysts are not needed in leaching lithium and manganese, although it is necessary to leach cobalt. High catalyst concentrations proved to be detrimental to some metals due to precipitations. Combined catalyst usage was found to be unnecessary and future studies need to be carefully evaluated. The results should be confirmed as the sample sizes were low, and experimental errors were observed.
Future studies can be conducted based on these findings by further increasing pulp density, testing different battery types, or, e.g., utilizing ultra-sound in the leaching process.
Kaikissa kokeissa käytettiin bakteerien tuottamaa rikkihappoa ja onnistuneet liuotukset havaittiin pH:n ja hapettumis- ja pelkistymispotentiaalin (redox) muutoksina. Liuotuksen tehokkuusprosentit laskettiin induktiivisesti kytketyn plasmaoptisen emissiospektrometrin (ICP-OES) ja elektronimikroskoopin (SEM/EDS) tuloksista.
Epäsuora bioliuotus osoittautui tuloksien pohjalta potentiaaliseksi litiumioniakkujen kierrätystavaksi. Kokeissa käytettiin onnistuneesti korkeita massatiheyksiä ja lyhyttä reaktioaikaa. Litiumin ja manganaasin liuotukseen katalyytit eivät ole välttämättömiä, kuitenkin koboltin liuotuksessa niillä oli merkittävä vaikutus. Osa metalleista saostui korkeiden katalyyttikonsentraatioden takia. Katalyyttien yhtäaikainen käyttö osoittautui kannattamattomaksi, tähän liittyvien jatkotutkimuksien kannattavuus on syytä arvioida erikseen.
Tämä opinnäytetyö mahdollistaa jatkotutkimukset suuremmilla massatiheyksillä, erilaisilla akkutyypeillä tai esimerkiksi ultraäänen lisäämisen liuotuksen tehostamiseksi. Näissä tutkimuksissa tulisi käyttää suurempia näytemääriä parantamaan tulosten luotettavuutta.
Bacteria-produced sulphuric acid was used for the leaching experiments of this thesis. Successful leaching was observed through pH and redox changes and leaching efficiencies were calculated from inductively coupled plasma optical emission spectrophotometry and a scanning electron microscope with elemental analysis.
The results indicated that non-contact leaching is a potential method in lithium-ion battery recycling. Leaching experiments were successful with high pulp densities and fast experimental times. Catalysts are not needed in leaching lithium and manganese, although it is necessary to leach cobalt. High catalyst concentrations proved to be detrimental to some metals due to precipitations. Combined catalyst usage was found to be unnecessary and future studies need to be carefully evaluated. The results should be confirmed as the sample sizes were low, and experimental errors were observed.
Future studies can be conducted based on these findings by further increasing pulp density, testing different battery types, or, e.g., utilizing ultra-sound in the leaching process.