NMC/LCO/LMO tipi lityum-iyon bataryaların siyah kütlesinden kritik metallerin geri kazanımı

Abstract

Lityum iyon piller (LiB), cep telefonları, kişisel bilgisayarlar ve elektrikli araçlar dahil olmak üzere birçok alanda uygulamaları olan çağdaş teknolojinin vazgeçilmez bir parçasıdır. Katot malzemeleri LiCoO₂ (LCO), LiNixMnyCo(1-x-y)O₂ (NMC) ve LiMn₂O₄ (LMO), özgül enerji değerleri nedeniyle bu uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ekonomik ve çevresel faktörler nedeniyle etkin ömrü sona eren LiB'deki katot malzemelerinden değerli metallerin (Li, Co, Ni ve Mn) geri kazanılması bir zorunluluk haline gelmiştir. Bu tez çalışması kapsamında, kullanım ömrü dolmuş NMC/LCO/LMO LiB aktif anot ve katot malzemesinden ultrasonik destekli liç işlemi, solvent ekstraksiyon ve çöktürme yöntemleri ile Li, Co, Ni ve Mn gibi değerli metallerin yüksek geri kazanım verimlilikleriyle elde edilmesi amaçlanmıştır. Öncelikle deşarj edilen ve boyut küçültme işlemi uygulanan LiB hücrelerinden eleme yöntemi ile elde edilen siyah kütlenin ayrıntılı bir karakterizasyonu yapılmıştır. Daha sonra, asit tüketimini ve liç süresini en aza indirmek için siyah kütle üzerinde ultrasonik destekli liç işlemi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca bu çalışmada çeşitli asit tipleri, liç süreleri, asit konsantrasyonları, redükleyici ajan konsantrasyonları, ultrasonikasyon, katı/sıvı oranları ve sıcaklıkların liç verimliliği üzerindeki etkisi incelenmiştir. Ek olarak liç kinetiği araştırılmış ve liç kalıntısının kapsamlı bir karakterizasyonu yapılmıştır. Liç ortamı olarak HCl, H₂SO₄ ve HNO₃ seçilmiş ve indirgeyici madde olarak askorbik asit (C6H8O6) kullanılmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda %96,8 Li, %99,2 Co, %96,4 Mn ve %93,1 Ni çözünme verimlilikleri 0,5 M H₂SO₄ konsantrasyonu, 0,15 M askorbik asit konsantrasyonu, 20 g/L katı/sıvı oranı ve bir saatlik ultrasonik destekli liç süresi ile elde edilmiştir. Sonuç olarak, tüm katot metalleri için yaklaşık %95'lik bir verim ön işlem yapılmadan düşük asit konsantrasyonunda ve nispeten kısa bir liç süresinde elde edilmiştir. Liç reaksiyonunun kinetiği ise yüzey kimyasal reaksiyon modeliyle tutarlı olarak elde edilmiştir. Liç çözeltisinden Co²⁺ ve Mn²⁺ iyonlarının seçici şekilde ayrılması için Cyanex-272 kullanılmıştır. Ayırma işlemi 0,6 M Na-Cyanex 272, pH 5, 5 dakika süre, 80 devir/dakika, 1/2,5 A/O oranı ve 25 oC parametreleri ile gerçekleştirilmiş olup, Li+ ve Ni²⁺ iyonları çözeltide bırakılmıştır. Çözeltide bırakılan Ni²⁺ iyonları dimetilglioksim (DMG) ile seçici olarak çöktürülmüştür. Çöktürme, %98,17 verim ile pH 10, 25 oC, DMG/ Ni2+ mol oranı 2, 400 devir/dakika ve 1 saat parametreleri kullanılarak elde edilmiştir. Co²⁺ ve Mn²⁺ iyonlarının ayrımı için ise D2EHPA kullanılmıştır. D2EHPA ile ayrım pH 3, süre 15 dakika, 80 devir/dakika, 0,1 M Na-D2EHPA, 1/2,5 A/O oranı ve 25 oC parametreleri ile gerçekleştirilmesinin yanı sıra, düşük pH değerleri Mn²⁺ ayrımı için optimum sonuçlar vermiştir. Son olarak, Co²⁺ iyonları, pH 8'de kobalt hidroksit olarak çöktürülmüştür. Çöktürme parametreleri ise pH 8, 400 devir/dakika, 25 oC ve 1 saat belirlenmiştir. Çöktürme sırasında oksidasyon sonucu Co(OH)₃ fazı oluşmuş, ve kobalt hidroksit partiküllerinin saflığı ~%99,2 olarak elde edilmiştir.