Recovery of valuable metals from waste lithium-ion batteries by metallurgical routes
Atık lı̇tyum-ı̇yon pı̇llerden değerlı̇ metallerı̇n metalurjı̇k yollarla gerı̇ kazanımı
- Tez No: 894320
- Danışmanlar: PROF. DR. ONURALP YÜCEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 111
Özet
Lityum-iyon pilleri (LIB) son yılların en popüler enerji depolama sistemi olmuştur. Ancak, kullanım ömrünün sonunda atılan pillerin sayısı hızla artmaktadır ve bu atıkların geri dönüştürülmesi önem kazanmıştır. Bu tezde, Li, Co, Ni ve Mn gibi metallerin geri dönüştürülmesi için farklı yöntemler ve teknikler incelenmiştir. Özellikle, hidrometalurji ve piroliz yöntemleri üzerinde durulmuştur. Ayrıca, bu metallerin geri kazanımı için kullanılan asitlerin etkileri ve optimal koşullar analiz edilmiştir. Bu çalışma, atık LIB lerin geri dönüştürülmesinde yeni yollar ve fikirler sunacaktır. Dünya çapındaki LIB pazarı, elektrikli araçlar ve yenilenebilir enerji depolama sistemleri talebindeki artış nedeniyle gelecek yıllarda hızla büyümeye devam edecektir. MarketsandMarkets'in son raporuna göre, dünya çapındaki LIB pazarı 2025 yılına kadar $93.1 milyar dolara ulaşacak ve bu tahmini dönemde yıllık %17,5 yıllık bileşik büyüme oranı ile büyüyecektir. Elektrikli araçların (EV'lerin) talebindeki artış, LIB pazarının en önemli itici gücüdür. EV'lerin kullanımı, karbon emisyonlarını azaltmaya ve hava kalitesini iyileştirmeye yönelik ihtiyaç nedeniyle artmaktadır. Dünya çapında hükümetler, finansal teşvikler ve düzenlemeler aracılığıyla EV'lerin kullanımını teşvik etmektedir. Bu nedenle, sokaklardaki EV sayısı gelecek yıllarda önemli ölçüde artacak ve bu LIB talebindeki artışa yol açacaktır. LIB piyasasının başka bir önemli bileşeni, enerji depolama sistemleri için artan taleptir. Güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının artması, enerji depolama sistemlerine olan ihtiyacı arttırmıştır. LIB'ler, yüksek enerji yoğunluğu, uzun kullanım ömrü ve düşük kendiliğinden boşalma oranları nedeniyle enerji depolama uygulamaları için uygundur. Türkiye'de, dünya pazarı gibi, lityum-iyon pillerin kullanımı da çeşitli alanlarda artmaktadır. Türkiye'de temel kullanım alanları, elektrikli araçlar ve hibrit elektrikli araçlar ile enerji depolama sistemleri dahil olmak üzere ulaştırmadır. Türkiye, yenilenebilir enerji kaynaklarının ve elektrikli araçların kullanımını teşvik etmeye yönelik politikalar uygulamıştır, bu da ülkede LIB talebini arttırmaktadır. Elektrikli araçların ve yenilenebilir enerji depolama sistemlerinin talebinin artması, Türkiye'de LIB pazarının büyümesini hızlandırmaktadır. Türkiye'nin 2019 yılında açıkladığı Milli Enerji ve Maden Politikası, 2023 yılına kadar yenilenebilir enerjinin enerji üretimindeki payını %30'a çıkarmayı amaçlamaktadır. Bu, yenilenebilir enerji kapasitesinin önemli ölçüde genişletilmesini gerektirecektir ve bu da aynı zamanda dolaylı olarak Lityum İyon Piller pazarının büyümesine neden olacaktır. Atık Li-iyon piller, metallerinin geri dönüşümü, çevre ve enerji kaynaklarının korunmasına katkıda bulunabilecek niteliktedir. Madencilikten kaynaklanan sera gazı emisyonlarını azaltmak, doğal kaynakları korunması ve nakliyeye ihtiyacı azaltmak en önemli çevresel faydalarındandır. Ayrıca, atık Li-iyon pillerin metallerinin geri dönüşümü, atık miktarını azaltır ve bu da çevreye pozitif etkiler yaratabilir. Ayrıca, atık LIB'lerden metal çıkarmanın, yeşil enerji ekonomisi gelişimine de katkıda bulunabileceği de vurgulanmalıdır. Özellikle, lityum, EV'lerde ve yenilenebilir enerji depolama sistemlerinde enerjiyi saklamak ve aktarmanın kullanıldığı LIB'lerin üretiminde esastır. Atık LIB'lerden lityum elde etmenin, litiyum için yabancı kaynaklara bağımlılığı azaltmasına ve daha sürdürülebilir bir enerji sistemi oluşturmasına yardımcı olması beklenilmektedir. Atık LIB'lerden kobalt, nikel ve lityum metallerinin geri dönüşümü önemlidir, çünkü ekonomimiz için önemli olan, ancak sınırlı bir tedariğe sahip olan metaller olarak kabul edilirler. Bu metalleri atık LIB'lerden elde etmek, kaynakları korumaya ve yerli üretimi teşvik etmeye yardımcı olacaktır, daha dayanıklı ve sürdürülebilir bir enerji sistemi oluşmasına yol açacaktır. Özetle, atık Li-ion pil (LIB)lerinden değerli metallerin kazanılması sadece kaynakları korumakla kalmaz, aynı zamanda çevreye olumlu etki yapar. Atık LIB'lerden metallerin geri dönüşümü sera gazı emisyonlarını azaltır, madencilik ve taşımacılık ihtiyacını azaltır ve atıkların depolandığı çöplükleri azaltır. Ayrıca, atık LIB'lerden metallerin çıkarılması, yabancı kaynaklardan bağımsız hale gelinmesi ve diğer kritik metallerin üretimini teşvik edilmesi yoluyla yeşil enerji ekonomisinin geliştirmesine katkıda bulunabilir. Sürdürülebilir ve dayanıklı bir enerji sistemi oluşturmak için atılması gereken önemli bir adımdır. Bu yüksek lisans tezinin ana odak noktası, kullanılmış lityum-iyon pillerden (LIB'ler) lityum, kobalt, nikel, bakır ve manganez gibi değerli metallerin metalurjik yollar kullanılarak geri kazanılması için bir süreç geliştirmektir. Tez, konuyla ilgili mevcut literatürün gözden geçirilmesiyle başlamakta, ardından daha sonraki araştırma için iki yöntem seçilmektedir: hidroklorik asit ile hidrometalurjik liç, endüksiyon ve kül fırınlarında döküm ve pişirme yoluyla pirometalurjik proses. Hidrometalurjik yöntem, LIB'lerden alınan ve daha sonra ortalama 85,5 ºC sıcaklıkta 2 saat boyunca hidroklorik asit çözeltisinde süzülen ayrılmış elektrot malzemelerinin kullanılmasını içermekteydi. Liç işleminden sonra numuneler atomik absorpsiyon spektroskopisi kullanılarak analiz edilmiş, bu da numunelerin seyreltme faktörüne bağlı olarak değişen miktarlarda Mn, Cu, Ni ve Co içerdiğini ortaya koymuştur. Pirometalurjik yöntemde, elektrot numuneleri 1 ila 3 saatlik süreler boyunca 700 ºC ila 1500 ºC arasında artan sıcaklıklarda piroliz işlemine tabi tutulmuş / ergitilmiştir. Bu deneylerden elde edilen sonuçlar, LIB'lerden elde edilen ana elementlerin Mn, Cu, Ni ve Co olduğunu ortaya koymuştur. Sıcaklığın 1250 - 1350 ºC arasında belirli bir dereceye kadar hızla artırılmasıyla değerli elementlerin doğrudan metalik şekilde toplandığı tespit edilmiştir. Ayrıca, tamamen erimiş bir numuneye sahip olmak için flaks malzemesi olarak silika (silisyum dioksit) ve boraks (sodyum boraks dekahidrat) kullanılmıştır. Ergitme deneyleri, belirlenen sıcaklık aralığı olan 1350 – 1400 °C'de yapılan işlemleri ve %15'lik bir karbon katkısıyla redüksiyon çalışmalarını içermiştir. Ardışık deneyler, karbon indirgeme reaksiyonunu optimize etmek için karbon katkısının oranını ve türünü ayarlayarak aynı sıcaklık aralığında gerçekleştirilmiştir. Örnek olarak, %95 Mn, %2 Cu, %2 Co ve %1 Ni içeren metalik fraksiyonlar elde edilmiştir. Metalik fraksiyonda Mn için %75'e varan geri kazanım oranlarına çıkılmıştır. Sonuç olarak, bu tez çalışması, kullanılmış LIB'lerden değerli metallerin metalurjik yollarla geri kazanımının umut verici bir teknik olduğunu göstermiştir. İncelenen her iki yöntem - hidrometalurjik liç ve pirometalurjik işlem, metalin önemli miktarda geri kazanılabilirliğinin olası olduğunu göstermektedir. Ancak, süreci daha da optimize etmek ve büyük ölçekli uygulamalar için etkinliğini artırmak amacıyla devam eden araştırmalar gereklidir.
Özet (Çeviri)
This master's thesis aims primarily to develop a selective method for extracting vital metals from depleted lithium-ion batteries (LIBs). These include lithium, cobalt, nickel, copper, and manganese. Initially, the thesis explores the prevailing literature on the subject. Subsequently, two methods are selected for thorough investigation: hydrometallurgical leaching with hydrochloric acid and pyrometallurgical processing through induction and ash furnace smelting and roasting. The hydrometallurgical route employs segregated electrode materials derived from LIBs, which undergo leaching in a hydrochloric acid solution for a two-hour duration at an average temperature of 85.5 ºC. Post-leaching, the samples are analyzed using atomic absorption spectrometry, revealing the samples to contain fluctuating quantities of Mn, Cu, Ni, and Co, dependent on the dilution factor. The pyrometallurgical route subject's electrode samples to roasting at rising temperatures ranging from 700 ºC to 1500 ºC over spans of 1 to 3 hours. The findings from these experiments suggest that the primary elements extracted from the LIBs are Mn, Cu, Ni, and Co. It was established that by quickly elevating the temperature to a range between 1250 – 1350 ºC, direct metallic conversion of the valuable elements could be attained. Additionally, to mitigate any adhesive interaction between the sample and the ceramic crucible and to ensure a fully smelted sample, flux materials - silicon dioxide (silica) and sodium borate (borax) were utilized. The initiation of the experimental operation involved the sample undergoing smelting at a predetermined temperature spectrum of 1350 – 1400 °C, supplemented by a 15% carbon contribution. Sequential trials maintained the same temperature range while adjusting the carbon supplement's proportion and typology for optimizing the carbothermic reduction reaction. The resultant sample's elemental composition comprised a dominant 95% Mn, with 2% each of Cu and Co, and 1% Ni. The recovery rates, calculated from Table 5.6, for these metals in their metallic forms were: a substantial 65% for Mn, 52% for Co, and a notable 69% for Ni. A key observation was the 75% recovery rate of Mn in the metallic fraction, marking a significant advancement in the extraction process. In conclusion, the thesis finds the recovery of valuable metals from exhausted LIBs through metallurgical routes a promising technique. Both the investigated methods - hydrometallurgical leaching and pyrometallurgical processing, indicate the feasibility of significant metal recovery. Nevertheless, ongoing research is necessary to further refine the process and enhance its efficacy for large-scale applications. Overall, the thesis successfully illustrates the potential of recovering valuable metals from discarded lithium-ion batteries through metallurgical paths, contributing valuable insights for future research in this domain.
Benzer Tezler
- Kullanılmış lityum iyon pillerdeki metalik değerlerin mekanokimyasal yöntemle geri kazanımı
Recovery of metal values from spent lithium-ion batteries by mechanochemical process
AYÇA SÖNMEZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MERT ZORAĞA
- E-atıklardan ve lityum pil atıklarından kritik metallerin kazanımı
Recovery of critical metals from e-waste and lithium battery waste
İSMAİL AĞCASULU
Doktora
Türkçe
2024
Maden Mühendisliği ve MadencilikSüleyman Demirel ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA UTKU AKÇIL
- Atık lityum iyon pil katotlarındaki metallerin baca gazı ile doyurulmuş sulu çözeltilerde çözündürülmesi
Dissolution of metals in waste lithium-ion battery cathodes in flue gas saturated aqueous solutions
MERVE NİDA DURSUNOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN TEMÜR
- Atık lityum iyon pillerden hidrometalurjik yöntemlerle stratejik hammadde ve metal geri kazanımı
The recovery of strategic raw material and metal fromwaste lithium ion batteries by hydrometallurgicalmethods
İLYAS EMİR ÇUHADAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiCevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİM GÜL
- Design of anode active materials from hot dip galvanizing waste for lithium ion batteries
Lityum iyon piller için sıcak daldırma galvaniz atıklarından anot aktif malzemelerin tasarımı
ORHUN OĞUZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİLLUR DENİZ KARAHAN