Kullanılmış lityum iyon pillerdeki metalik değerlerin mekanokimyasal yöntemle geri kazanımı
Recovery of metal values from spent lithium-ion batteries by mechanochemical process
Yazar: AYÇA SÖNMEZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MERT ZORAĞA
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Lityum iyon piller geniş kullanım alanları ile günümüzde önemli rol oynamaktadır. Lityum iyon pillerin kullanım alanlarının artması, kullanım ömürlerinden sonra ortaya çıkacak atık pil sorununu da arttırmaktadır. Hem artan atık lityum iyon pillerin neden olacağı çevre kirliliğini azaltmak hem de lityum iyon pillerinin içerisinde bulunan çeşitli değerli metallerin geri kazanılabilmesi için lityum iyon pillerin geri dönüşümü önemli rol oynamaktadır. Lityum iyon pillerin geri kazanımı hakkında hem pirometalurjik hem de hidrometalurjik çalışmalar literatürde bulunmaktadır. Bu çalışmada kullanılmış lityum iyon pil katot aktif tozlarının hidrometalurjik temelli mekanokimyasal liç yöntemi ile maksimum metal geri kazanımı ve safiyetini sağlayan asit konsantrasyonu, bilye/toz oranı, deney süresi ve karıştırma hızı parametreleri incelenmiştir. Tüm liç çözeltilerine kimyasal analiz ICP-MS cihazı ile gerçekleştirilmiş, gerekli görülen liç atıklarına ise XRD analizleri yapılmıştır. Lityum iyon piller geniş kullanım alanları ile günümüzde önemli rol oynamaktadır. Lityum iyon pillerin kullanım alanlarının artması, kullanım ömürlerinden sonra ortaya çıkacak atık pil sorununu da arttırmaktadır. Hem artan atık lityum iyon pillerin neden olacağı çevre kirliliğini azaltmak hem de lityum iyon pillerinin içerisinde bulunan çeşitli değerli metallerin geri kazanılabilmesi için lityum iyon pillerin geri dönüşümü önemli rol oynamaktadır. Lityum iyon pillerin geri kazanımı hakkında hem pirometalurjik hem de hidrometalurjik çalışmalar literatürde bulunmaktadır. Bu çalışmada kullanılmış lityum iyon pil katot aktif tozlarının hidrometalurjik temelli mekanokimyasal liç yöntemi ile maksimum metal geri kazanımı ve safiyetini sağlayan asit konsantrasyonu, bilye/toz oranı, deney süresi ve karıştırma hızı parametreleri incelenmiştir. Tüm liç çözeltilerine kimyasal analiz ICP-MS cihazı ile gerçekleştirilmiş, gerekli görülen liç atıklarına ise XRD analizleri yapılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda, 240 dk deney süresi, 1 M okzalik asit (H2C2O4) konsantrasyonunda, 500 dakika-1 karıştırma hızında ve bilye/numune oranının: 20 olduğu şartlarda sıvı çözeltiden Li geri kazanım verimi %70, Co için %0,47, Mn için % 25 ve Ni için %2,3 olmuştur. Kobalt, nikel ve mangan büyük oranda çözelti sonunda çöken katı reaksiyon ürününde kalmıştır. Lityumun sulu çözeltiye alınarak geri kazanılması, kobaltın büyük bir kısmının liç atığına geçmesi, iki değerli metalin geri kazanımını kolaylaştıracaktır. Co'ın yanı sıra Ni ve Mn'da katı reaksiyon ürüne geçmektedir.

Abstract:
Lithium-ion batteries play an important role these days with their wide range of uses. The increase in the usage areas of lithium-ion batteries also increases the waste battery problem that will occur after their useful life. Recycling of lithium-ion batteries plays an important role both to reduce the environmental pollution caused by the increasing waste lithium-ion batteries and to recover various valuable metals in lithium-ion batteries. In this study, acid concentration, ball/powder ratio, experiment time and mixing speed parameters, which provide maximum metal recovery and purity, were investigated by hydrometallurgical based mechanochemical leaching method of spent lithium ion battery cathode active powders. Chemical analysis of all leaching solutions was performed with an ICP-MS. XRD analyzes were performed on the required leach solids. As a result of the experiments, in conditions where 240 min experiment time, 1 M oxalic acid (H2C2O4) concentration, 500 min-1 mixing speed, ball/powder ratio: 20, recovery efficiency of Li from the liquid solution was 70%, 0.47% for Co, 25% for Mn, and 2.3% for Ni. Cobalt, nickel and manganese largely remained in the solid reaction product, which precipitated at the end of the solution. Recovery of lithium by incorporation into liquid solution will facilitate recovery of the two valuable metals as most of the cobalt will pass into the solid precipitate. In addition to Co, Ni and Mn also pass into the solid reaction product.