Kullanılmış lityum-iyon pil katot malzemesindeki değerli metallerin okzalik asit çözeltisindeki liç kinetiğinin incelenmesi
Investigation of leaching kinetics of valuable metals in spent lithium-ion battery cathode material in oxalic acid solution
Yazar: SAFİYE TANRIVERDİ TERZİOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. SEDAT İLHAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Lityum iyon piller günümüzde hemen her alanda kullanılan şarj edilebilir pil türüdür. Bir lityum iyon pilinin yapısı anot, katot, elektrolit, bağlayıcı ve plastikten oluşmaktadır. Anot, genellikle bakır folyo üzerine kaplı grafitten oluşurken katot malzemesi, alüminyum folyo üzerine kaplı metal oksitlerden oluşmaktadır. Kullanılan metal oksit çeşidine göre ise pillerin elektrokimyasal özellikleri belli olmakta ve lityum iyon pil, kullanılan metal oksit türüne göre adlandırılmaktadır. Katot malzemesi nikel, mangan ve kobalt oksitten oluşuyorsa NMC, lityum demir fosfattan oluşuyorsa LFP, kobalt oksitten oluşuyorsa LCO gibi isimlendirmeler yapılmaktadır. Birçok metali bünyesinde bulunduran ve arz-talebin yüksek olduğu lityum pil endüstrisinde, geri dönüşüm ve metallerin geri kazanımı hem çevresel hem de ekonomik olarak yüksek öneme sahiptir. 
Bu tez çalışmasında ömrünü doldurmuş cep telefonu pilleri deşarj edilip mekanik olarak açıldıktan sonra katot tozunun üzerinde bulunduğu alüminyum folyo çözündürülüp katot tozu elde edilmiştir. Katot tozu ile yapılan liç deneylerinde okzalik asit konsantrasyonunun, sıcaklığın, katot tozu tane boyutunun, karıştırma hızının, katı-sıvı oranının ve liç süresinin lityum, kobalt, nikel ve manganın çözünmesine etkisi ve liç reaksiyonlarının kinetiği incelenmiştir. Elde edilen numunelerin karakterizasyonu XRD, ICP-OES, SEM-EDS analiz yöntemleri ile yapılmıştır. 
Çözeltideki lityum, okzalik asit konsantrasyonu ve sıcaklık ile doğru orantılı olarak artmaktadır. Karıştırma hızının 200 rpm'den 250 rpm'e çıkılması durumunda %4'lük bir artış yaratmıştır. Tane boyutunun artışı çözünme üzerinde ters etki yaparken bu fark büyük bir etki yaratmamıştır. Katı-sıvı oranı arttıkça ise tüm metallerin çözünme miktarı azalmaktadır.
Değişen liç parametrelerine bağlı olarak kobalt ve nikel benzer çözünme ve çökme davranışı göstermektedir. Okzalik asit konsantrasyonu artışı ile çözünen kobalt ve nikel değeri artmıştır. Ancak çözünen kobalt ve nikel, kobalt okzalat ve nikel okzalat bileşiğini oluşturmaktadır. Oluşan okzalat tabakası ise liç reaksiyonlarının yavaşlamasına ve durmasına neden olmaktadır. Düşük sıcaklıklarda okzalat oluşumu daha yavaş gerçekleşirken yüksek sıcaklıklarda hızlı gerçekleştiği tespit edilmiştir. 
Mangan da kobalt ve nikele benzer bir davranış göstermekte olup mangan okzalat bileşiği oluşturmaktadır. Ancak liç deneylerinin gerçekleştirildiği yüksek okzalik asit konsantrasyonları mangan okzalat bileşiğinin çözünmesine neden olmaktadır. Bu nedenle liç çözeltisindeki mangan miktarı nikel ve kobalt değerlerinden daha fazla olmaktadır.
Liç deneylerinden elde edilen veriler lityumun liçi için en uygun kinetik modelin Daralan Çekirdek Modeli olduğunu göstermiştir. Model kinetik bağıntının "X" _"Li"  değerinin süreye bağlı değişimini verecek şekilde düzenlenerek hesaplanan parametrelerin bu eşitlikte kullanılması ile model kinetik bağıntı türetilmiştir.

Abstract:
Lithium-ion batteries are a type of rechargeable battery used in almost every field today. The structure of a lithium-ion battery consists of an anode, cathode, electrolyte, binder, and plastic. The anode typically consists of graphite coated on copper foil, while the cathode material consists of metal oxides coated on aluminum foil. The electrochemical properties of the batteries are determined by the type of metal oxide used, and lithium-ion batteries are named according to the type of metal oxide used. If the cathode material consists of nickel, manganese, and cobalt oxide, it is called NMC; if it consists of lithium iron phosphate, it is called LFP; if it consists of cobalt oxide, it is called LCO. In the lithium battery industry, which contains many metals and has high supply-demand, recycling and recovery of metals are of high environmental and economic importance.
In this thesis, after discharging and mechanically opening end-of-life mobile phone batteries, the aluminum foil on which the cathode powder is located was dissolved, and cathode powder was obtained. In the leaching experiments conducted with cathode powder, the effects of oxalic acid concentration, temperature, cathode powder particle size, stirring speed, solid-liquid ratio, and leaching time on the dissolution of lithium, cobalt, nickel, and manganese and the kinetics of the leaching reactions were investigated. The characterization of the obtained samples was performed using XRD, ICP-OES, and SEM-EDS analysis methods.
Lithium in the solution increases proportionally with oxalic acid concentration and temperature. Increasing the stirring speed from 200 rpm to 250 rpm created a 4% increase. While the increase in particle size had an inverse effect on dissolution, this difference did not create a significant impact. As the solid-liquid ratio increased, the dissolution amount of all metals decreased.
Cobalt and nickel showed similar dissolution and precipitation behavior depending on the changing leaching parameters. The amount of dissolved cobalt and nickel increased with the increase in oxalic acid concentration. However, the dissolved cobalt and nickel formed cobalt oxalate and nickel oxalate compounds. The formed oxalate layer caused the leaching reactions to slow down and stop. It was determined that oxalate formation occurred more slowly at low temperatures and rapidly at high temperatures.
Manganese also showed similar behavior to cobalt and nickel, forming manganese oxalate compounds. However, the high oxalic acid concentrations used in the leaching experiments caused the dissolution of manganese oxalate compounds. Therefore, the amount of manganese in the leach solution was higher than that of nickel and cobalt.
The data obtained from the leaching experiments showed that the most suitable kinetic model for the leaching of lithium was the Shrinking Core Model. The kinetic equation was derived.