Ömrünü tamamlamış Li-iyon pillerinden LiCoO2 pastasının ayrıştırılması ve tekrar kullanılabilirliğinin araştırılması
Separation of LiCoO2 paste from spent Li-ion batteries and investigation of reusability
Yazar: HASAN AKSU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ CENGİZ AYHAN ZIBA ; DOÇ. DR. MEHMET HAKAN MORCALI
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Pil birçok alanda önemli miktarlarda kullanılmaktadır. Bunlara örnek verecek olursak işyerlerinde, evlerde, ulaşımda ve endüstriyel faaliyetlerde kullanılmaktadır. Piller, saatlerde, elektronik cihazlarda, motorlarda, elektronik cihazlarda, kameralarda, hesap makinelerinde, işitme cihazlarında, kablosuz telefonlarda, bazı oyuncaklarda ve buna benzer birçok alanda geniş bir kullanım alanı bulmaktadır. Son yıllarda hızla artan pil kullanımı çevre ve insan sağlığı için potansiyel bir tehlike oluşturmaktadır. Bunda dolayı kullanılmış pillerin tehlike oluşturmaması için diğer atıklardan ayrı taşınması, toplanması ve geri kazanılması gerekmektedir. Ayrıca pillerdeki zararlı ve tehlikeli metallerin geri kazanılması ve/veya bertarafın da önemli konular arasında yer almaktadır.
Avrupa ve Amerika'da bir kişi normalde yılda 3 adet düğme pili, 15 adet normal (A, AA, AAA, C, D, 9V) pil kullanmaktadırlar. Almanya'da kişi başına yıllık pil tüketimi 13 adettir. Dünya genelinde ağırlıklı olarak alkali piller ve karbon-çinko piller kullanılmaktadır. Günümüzde tekrar şarj edilebilir depolama sistemlerinin (lityum iyon pillerin gibi) kullanımında ciddi artışlar gözlenmektedir. Bütün dünya genelinde mobil elektronik cihaz ve aletlerin kullanımının ve elektrik ve onun gibi çalışan arabaların sektörde artış göstermesinin pil sistemleri daha çok önem kazanmıştır. Hafiflik, en iyi elektrokimyasal potansiyele ve yüksek enerji yoğunluğuna sahip olma bu sistemlerin başlıca seçilme nedenleri arasındadır. Lityum iyon pillerin diğer pil sistemlerine kıyasla yüksek enerji yoğunluğuna ve tekrar şarj edilebilir özelliğe sahip olması çok tercih edilmesine sebep olmaktadır. Günümüzde mevcut teknolojiyi daha da ilerletmek adına lityum pillerin enerji yoğunluğunun ve çevrim ömrünün arttırılması, güvenli kullanımlarının geliştirmesi alanında oldukça fazla çalışmalar yapılmaktadır. Mobil elektronik cihazların, elektrikli araç teknolojisinin var olmasında ikincil lityum iyon pillerin katkısı olsa da teknolojinin çok hızlı ilerlemesi lityum iyon pillerden gelen performans beklentisini de arttırmaktadır. 
Bu çalışmada İstanbul ilinin Ümraniye ilçesinin Namık Kemal mahallesinde bulunan Li-iyon pilleri toplamak için yerleştirilmiş olan 12 adet atık pil toplama kutularının yerleri belirlenmiş (telefon bakım-onarım mağazaları ve kamu kurum kuruluşları) belirlenmiştir. Ümraniye ilçesinde telefon bakım-onarım mağazaları ve kamu kuruluşunda bulunan atık pil toplama kutularından alınan Li-iyon pilleri toplanarak türlerine göre sınıflandırılmıştır.  Atık pil toplama noktalarında toplanan Li-iyon pillerin sınıflandırılması ve ekonomik potansiyellerinin belirlenmesi konusunda bilimsel veri oluşturulması için bir takım çalışmalar yapılmıştır. Araştırma yapılan bölgelerde bulunan atık pil toplama kutularındaki piller 3 aylık periyoda göre toplanmıştır. İlk olarak toplanan Li-iyon pillerin ağırlıkları ölçülmüştür. Bu ölçümden sonra her bir grup içerisindeki pilleri deşarj (üzerindeki yükü boşaltmak) edilmek amacıyla elektrolitik (iletken) sıvı içerisinde 72 saat bekletilerek potansiyel gerilimi sıfırlanmıştır. Deşarj işlemi sonrası piller kendi grupları içerisinde el yordamı ile parçalanarak, çıkan malzemeler tanımlanarak her bir malzeme tartılarak kayıt altına alınmıştır. Elde edilen bu veriler doğrultusunda Li-iyon pilinin ortalama kompozisyonu %20 Cu (Bakır), %8 Al (Alüminyum), %10 plastik, %55 pil pastası (LiCoO2) ve %7 diğerlerden oluşmaktadır, daha sonra bakır tartımı, pil pastası tartımı, alüminyum tartımı, plastik tartımı işlemleri gerçekleştirildi. Pil pastasının içerisinde çıkarılan pil pastasının tekrardan kullanılabilmesi için bir takım fiziksel uygulamalarının yanı sıra kimyasal işlemler yapılmıştır. SEM analizlerinden elde edilen verilerden anlaşıldığı üzere katot malzemesi olarak kullanılan Li-metal Oksit bileşiklerine birçok defa şarj ve deşarj işleminin uygulanması sırasında bu bileşiğin katotdan anota ve tam tersi olarak sürekli göç etmesi sırasında bileşikteki morfolojik yapı bozulmaktadır. Kullanılmış (bitmiş) Li-iyon pillere ait pil pastasının doğrudan ve/veya bir takım basit işlemler uygulanarak tekrardan kullanılabilmesi imkânsız görünmektedir. Pil pastasının tekrardan kullanılabilirliğini sağlanması için çok basamaklı kimyasal süreçlere ihtiyaç vardır.

Anahtar kelimeler: Ömrünü Tamamlamış Piller, Li-iyon Pil, Atık Geri Dönüşüm, Atık Pil Ayrıştırma

Abstract:
The battery is used in significant amounts in many fields. For example, it is used in workplaces, homes, transportation and industrial activities. Batteries find a wide range of uses in watches, electronic devices, motors, electronic devices, cameras, calculators, hearing aids, wireless phones, some toys and many similar areas. The rapidly increasing use of batteries in recent years poses a potential danger to the environment and human health. For this reason, used batteries must be transported, collected and recycled separately from other wastes so that they do not pose a hazard. In addition, the recovery and/or disposal of harmful and dangerous metals in batteries are among important issues.
In Europe and America, a person normally uses 3 button batteries and 15 normal (A, AA, AAA, C, D, 9V) batteries per year. Annual battery consumption per person in Germany is 13. Mainly alkaline batteries and carbon-zinc batteries are used around the world. Today, serious increases are observed in the use of rechargeable storage systems (such as lithium-ion batteries). Battery systems have gained more importance due to the increase in the use of mobile electronic devices and gadgets and the increase in the sector of electric and similar cars. Lightness, having the best electrochemical potential and high energy density is among the main reasons for choosing these systems. Lithium-ion batteries are highly preferred due to their high energy density and rechargeable feature compared to other battery systems. Today, in order to further advance the existing technology, a lot of work is being done in the field of increasing the energy density and cycle life of lithium batteries and improving their safe use. Although secondary lithium-ion batteries contribute to the existence of mobile electronic devices and electric vehicle technology, the rapid advancement of technology also increases the performance expectation from lithium-ion batteries.
In this study, the locations of 12 waste batteries collection boxes (phone maintenance-repair shops and public institutions) placed to collect Li-ion batteries in Namık Kemal neighborhood of Ümraniye district of Istanbul were determined. Li-ion batteries taken from the waste battery collection boxes in the telephone maintenance-repair shops and public institutions in Umraniye district were collected and classified according to their types. A number of studies have been carried out to create scientific data on the classification and economic potential of Li-ion batteries collected at waste battery collection points. The batteries in the waste battery collection boxes in the research areas were collected according to a 3-month period. First, the weights of the collected Li-ion batteries were measured. After this measurement, the batteries in each group were kept in electrolytic (conductive) liquid for 72 hours in order to discharge (discharge the load on them) and the potential voltage was zeroed. After the discharge process, the batteries were broken down by hand in their own groups, the materials were identified, and each material was weighed and recorded. In line with these data obtained, the average composition of the Li-ion battery consists of 20% Cu (Copper), 8% Al (Aluminum), 10% plastic, 55% battery paste (LiCoO2) and 7% others, then copper weighing, battery paste weighing , aluminum weighing, plastic weighing processes were carried out. In order to reuse the battery paste, which was removed from the battery paste, some physical applications as well as chemical processes were carried out. As it is understood from the data obtained from the SEM analyzes, the morphological structure of the compound deteriorates during the continuous migration of this compound from the cathode to the anode and vice versa, during the application of charging and discharging many times to the Li-metal Oxide compounds used as the cathode material. It seems impossible to reuse the battery paste of used (dead) Li-ion batteries directly and/or by applying some simple operations. Multi-step chemical processes are needed to ensure the reusability of the battery paste.

Keywords: End-of-Life Batteries, Li-ion Battery, Waste Recycling, Waste Battery Separation