Study on the separation process of selected metals from lithium-ion batteries

The process of efficient metal recovery from lithium-ion cells is the key issue in popularizing energy solutions with the usage of batteries. The purpose of this study was to investigate a mixture of ascorbic and citric acid as a digesting solution. The concentration and the volume of organic acids was optimized and the kinetic of the dissolving process was investigated. Effective leaching of cobalt from LCO was achieved by using solution consisting of 0,5M citric acid and 0,1M ascorbic acid, the kinetics of the process corresponded to first order reaction. The process of controlled discharge was studied as a method of preliminary preparation of batteries for their disassembly with observation of the effects of using a given method for the duration of the process. Better performance of the discharge process was reached in a salt solution than in a mixture of steel balls, but the process requires further research in order to increase efficiency and predictability. The used cells were dismantled with focus on determination of the mass and condition of the battery components. During the digestion of passive elements, the concentration of constituting metals was determined. The dissolution of iron, nickel and copper was observed. The battery leaching process was made in four cycles. The effectiveness of the process was measured using visible and near ultraviolet light spectrophotometry and the ion-metric determination with lithium and fluoride selective electrodes. Both UV-Vis and XRD method allowed to determine metals which built the cathode. After the first leaching cycle the migration of lithium and other metal ions was observed. Average recovery values of cobalt, nickel and manganese for all batteries were: 97 mg Co/g , 60 mg Ni/g and 205 mg Mn/g, respectively. An average of 21 mg/g of lithium was recovered per unit of weight from 10 batteries. After first leaching cycle amount of fluorine ions was between 0,5 and 4,0 mg/g. Phase composition of the cathode, anode and separator materials were identified and their aging indices were characterized using infrared spectroscopy and X-ray diffraction. The method of infrared spectroscopy was used to examine the materials that build the separator, but it was less useful in the measurements for cathodes and anodes.

Wydajny proces odzysku metali wchodzących w skład ogniw litowo-jonowych jest kluczowym zagadnieniem w popularyzacji rozwiązań energetycznych z użyciem baterii. Zaproponowano wykorzystanie mieszaniny kwasu askorbinowego i cytrynowego jako roztworu roztwarzającego. Wykonano optymalizację stężenia i objętości użytych kwasów organicznych oraz zbadano kinetykę procesu roztwarzania. Efektywne wymywanie kobaltu z komercyjnie wykorzystywanego materiału LCO osiągnięto przy użyciu mieszaniny o składzie 0,5M kwasu cytrynowego i 0,1M kwasu askorbinowego, kinetyka procesu odpowiadała reakcji pierwszego rzędu. Zbadano proces kontrolowanego rozładowania jako metody wstępnego przygotowania baterii do ich demontażu, określając przy tym skutki zastosowania danej metody na czas ich rozładowania. Stwierdzono wyższą efektywność rozładowania prowadzonego w roztworze soli niż w mieszaninie stalowych kulek. Sam proces rozładowania wymaga dalszych badań oraz prób zwiększenia jego efektywności i przewidywalności. Dokonano mechanicznej rozbiórki zużytych ogniw skupiając się na oznaczeniu elementów akumulatora, ich kondycji oraz masach poszczególnych składników. Podczas roztwarzania elementów pasywnych oznaczono stężenia tworzących je metali, zaobserwowano wymywanie żelaza, niklu oraz miedzi. Przeprowadzono proces wymywania metali w czterech cyklach roztwarzania mieszaniną kwasów. Efektywność procesu badano przy użyciu spektrofotometrii w zakresie światła widzialnego oraz bliskiego ultrafioletu oraz oznaczenia jonometrycznego z użyciem elektrody litowej oraz fluorkowej. Spektroskopia UV-Vis pozwoliła na oznaczenie kluczowych metali tworzących materiał katodowy, umożliwiło to także precyzyjniejsze dopasowanie obrazów materiałów metodą XRD. Wymywanie metali, zwłaszcza kobaltu i litu zarejestrowano już po przeprowadzeniu pierwszego cyklu roztwarzania. Uśrednione wartości odzysku kobaltu, niklu i manganu dla wszystkich zbadanych baterii wynosiły kolejno: 97 mg Co/g, 60 mg Ni/g i 205 mg Mn/g. W przeliczeniu na jednostkę masy wsadu z 10 baterii średnio odzyskano 21 mg Li/g. Ilość anionów fluorkowych po pierwszym cyklu roztwarzania oscylowała między 0.5 a 4.0 mg/g. Materiały katody, anody, separatora identyfikowano oraz scharakteryzowano ich wskaźniki starzenia przy użyciu metody spektroskopii w podczerwieni i dyfrakcji rentgenowskiej. Metoda spektroskopii w podczerwieni znalazła zastosowanie w badaniu materiału budującego separator, nie sprawdziła się w pomiarach prowadzonych dla katod i anod.