Optimization of nickel, cobalt and lithium recovery processes from spent Li-ion batteries
Atık Li-iyon batarya katotlarından nikel, kobalt ve lityum geri kazanımı proseslerinin optimizasyonu
- Tez No: 776418
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET KADRİ AYDINOL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 73
Özet
Lityum iyon piller elektrikli araçlarda ve elektrikli cihazlarda yaygınca kullanıldığından ve gelecekte yaygın olarak kullanılmaya devam etme potansiyeline sahip olduğundan, ömrünü tamamlamış pillerin geri dönüştürülmesi zorunluluktur. Atık lityum iyon piller çevreye ve insan sağlığına zararlıdır ve içerdiği kritik metaller nedeniyle de geri dönüştürülmelidir. Lityum iyon piller, katot kimyalarına göre sınıflandırılabilir. Bu tezde, lityum iyon pillerin NMC tipi (Nikel-Mangan-Kobalt) katot kimyası ile geri dönüşümü tartışılmıştır. Atık pillerin geri dönüşümü için iki farklı yaklaşım incelenmiştir. İlk yaklaşım, akım toplayıcı folyodan (katot için genellikle alüminyum folyo) katot aktif malzemeyi sıyırmak ve bu tozları doğrudan çamura dönüştürerek yeni elektrotlar yapmak için kullanmakla ilgilidir. Bu yaklaşım için üç farklı yöntem incelenmiştir. Bunlar piroliz yöntemi, PVDF'nin çözünmesi yönteminin ve alüminyum folyonun çözündürülmesi yöntemidir. Isıl işlem yöntemi, katot aktif malzemelerin performansına hem kapasite hem de çevrim ömrü açısından olumsuz etki göstermektedir. PVDF çözünme yöntemi ise umut verici elektrokimyasal sonuçlar göstermiştir, ancak kalıntı/çözünmemiş PVDF, istenmeyen partikül aglomerasyonuna yol açmaktadır. Alüminyumun çözündürülmesi yönteminde, kalıntı alüminyum yetersiz kapasite korunumu problemine yol açmaktadır. Diğer yaklaşım, atık lityum iyon katotların asit ile liç edilmesi ve daha sonra elde edilen liç çözeltisi ile doğrudan birlikte çöktürme yöntemi ile yeni katot aktif materyalinin sentezlenmesidir. Bu yaklaşımda, katot kütlesinden %99'a kadar Li, %97Ni, %96 Co ve %98 Mn geri kazanılmış ve birlikte çöktürme yöntemi ile yeni katot aktif malzemeler sentezlenmiştir. Bu malzeme ile hazırlanan elektrot, 50 döngüden sonra %94,2 kapasite korunumu göstermektedir ve ilk ve son deşarj kapasiteleri sırasıyla 151.58 mAh/g ve 142.83 mAh/g olup, 0.5C hızında şarj/deşarj edilerek NMC-111'in referans kapasitesi 155 mAh/ g değerinde alınmıştır. Her iki yaklaşımda da amaç, kapalı döngü bir geri dönüşüm süreci oluşturmak ve mevcut yöntemlerde olan kompleks proseslerin ve fazladan maliyet gerektiren konvansiyonel yöntemlerin dezavantajlarını ortadan kaldırmaktır. Geri dönüşüm süreçleri için dünya çapında birçok pirometalurjik ve hidrometalurjik çalışma yapılmıştır. Yine de, henüz kapalı döngü bir proses değildir ve çeşitli asitler ve indirgeyici maddelerle yapılan hidrometalurjik çalışmaların optimizasyona ihtiyacı vardır. Çevre kirliliği açısından pirometalurjik metodlarla değil, hidrometalurjik yöntemlerle geri dönüştürülmesi amaçlanan lityum iyon piller bu tezde öncelikle deşarj edilerek komponentlerine ayrılmıştır. Çalışmada kullanılan atık lityum iyon pil katotlarında bağlayıcı olarak kullanılan organiğin PVDF olduğu belirlenmiştir. İşlemler sırasında HF gazı emisyonun ve katotun yapısınıa ve davranışına olan etkisi araştırılmıştır. Asit liçi, çeşitli asitler ve indirgeyici ajanlar ile çalışılmıştır.
Özet (Çeviri)
Since lithium-ion batteries are standard in electric vehicles and electrical devices and have the potential to be used widely in the future, it is essential to recycle end-of-life batteries. Waste lithium-ion batteries are harmful to the environment and human health and should be recycled also due to their critical metals. Lithium-ion batteries can be classified according to their cathode chemistry. In this thesis, the recycling of lithium-ion batteries with NMC-type (Nickel- Manganese-Cobalt) cathode chemistry was discussed. Two different approaches have been studied for the recycling of waste batteries. The first approach concerns the use of cathode active materials to make new electrodes by stripping them from the current collector foil and directly turning them into sludge. Three different methods have been studied for this approach. These are pyrolysis method, dissolution of PVDF method and dissolving of aluminum foil method. The pyrolysis method shows negative contribution on the performance of cathode active materials in terms of both capacity and cycle life. The dissolution of PVDF method shows promising electrochemical results but the residual PVDF leads to particle agglomeration which is not desired. In the dissolution of aluminum method, residual aluminum leads poor capacity retention. The other approach is to leach waste lithium ion cathodes with acid and then synthesize new cathode active material by direct co-precipitation method with the obtained leaching solution. In this approach, up to 99% Li, 97% Ni, 96% Co and 98% Mn by weight are recovered from the cathode mass and new cathode active materials were synthesized via co-precipitation method. The electrode prepared with this material shows 94.2% capacity retention after 50 cycle and discharge capacities at first and final were 151.58 mAh/g and 142.83 mAh/g,respectively, at 0.5C rate with the reference capacity of NMC-111 is 155 mAh/g. In both approaches, the aim is to create a closed-loop recycling process and to eliminate the extra steps as in conventional methods. Many pyrometallurgical and hydrometallurgical studies have been carried out worldwide for recycling processes. Still, it is not a closed-loop process yet, and hydrometallurgical studies with various acids and reducing agents need optimization. Lithium-ion batteries, intended to be recycled by hydrometallurgical methods, not by pyrometallurgical modes in terms of environmental pollution, are disassembled in this thesis. The emission of HF gas during the processes was investigated and its effect on the cathode properties was investigated. Acid leaching was carried out with various acids and reducing agents. Eventually, the closed-loop recycling and resynthesis processes successfully demonstrated the targeted performance.
Benzer Tezler
- Atık pillerin değerlendirilmesi
Recyling used batteries
HANİFE BANABAK
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. NURSEN İPEKOĞLU
- Reactor design, characterization and production of cathode active material via co-precipitation method for lithium ion batteries
Lityum iyon piller için birlike çöktürme yöntemi için reaktör tasarımı, katot aktif malzemesi üretimi ve karakterizasyonu
BARIŞ CEM ALPAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- Performance analysis and optimization of integrated fuel cell-battery systems for marine applications
Denizcilik uygulamaları için entegre yakıt pili-batarya sistemlerinin performans analizi ve optimizasyonu
SÜLEYMAN AYKUT KORKMAZ
Doktora
İngilizce
2023
DenizcilikDokuz Eylül ÜniversitesiGemi Makineleri İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ KADİR EMRAH ERGİNER
- Yeni yönetmeliklere göre gıdalarla temasa uygun emaye yüzeylerin geliştirilmesiyeni
Development of food contact safe enamel surfaces according to the new regulations
GİZEM KADAKAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONURALP YÜCEL
- Li-iyon batarya modelinin en uygunlaştırılması ve batarya bozunumunun incelenmesine katkılar
Contributions to optimization of Li-ion battery models and analysis of battery degradation
HAKAN İNCESU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ