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
Yazar: MERVE NİDA DURSUNOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN TEMÜR
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Baca gazı = Flue gas ; Lityum iyon pil = Lithium ion battery ; Liçing = Leaching

Özet:
Amaç: Atık lityum iyon bataryalardaki katot materyali oldukça yüksek ekonomik değere sahip lityum ve kobalt gibi değerli metalleri içermekte olup bunların kontrolsüzce çevreye bırakılması aynı zamanda ciddi çevresel kirliliğe yol açabilir. Bu çalışmada bu değerli metallerin liçing yöntemiyle geri kazanılması üzerine alternatif bir yaklaşım incelenmiştir. Liç reaktifi olarak baca gazı ile doyurulmuş sulu çözeltiler kullanılmıştır. Ayrıca bu yolla başka bir kirlilik kaynağı olan baca gazı, bir liç reaktifi olarak değerlendirilmiştir.
Materyal ve Metot: Atık lityum iyon bataryalardan çıkarılan katot materyalleri bir kalsinasyon işleminden geçirildikten sonra alüminyum folyodan ayrılmış ve toz hale getirilmiştir. Daha sonra baca gazı ile doyurulan sulu çözelti bir liç reaktifi olarak bu materyalin çözündürülmesinde kullanılmıştır. Çözündürme işlemi üzerine gaz akış hızı, karıştırma hızı, sıcaklık ve katı/sıvı oranı gibi parametrelerin etkileri incelenmiştir. Kalsinasyon işleminden önce ve sonra katot materyalinin morfolojik yapısı XRD ve SEM analizleriyle irdelenmiştir.
Bulgular: Bu çalışmada katot materyalinin kalsinasyonu sonucunda ortamda bulunan karbon siyahı ve bağlayıcının büyük ölçüde uzaklaştırıldığı gözlenmiştir. Geri kalan metal içeriği baca gazı ile doyurulmuş sularda çözündürülmüştür. Çözündürme işleminde incelenen parametrelerden sıcaklık ve gaz akış hızının artmasıyla çözünen metal içeriğinin arttığı; karıştırma hızı ve katı/sıvı oranının artmasıyla ise çözünen metal içeriğinin azalma eğilimi gösterdiği tespit edilmiştir.
Sonuç: Atık bataryalardan katot aktif maddesinin geri kazanılması için yapılan kalsinasyon işlemi bu maddenin bileşenlerine ayrılmasını kolaylaştırmıştır. Sonuç olarak baca gazı ile doyurulmuş sulu çözeltinin, katot aktif materyalinin çözündürülmesinde bir liç reaktifi olarak kullanılabileceği belirlenmiştir. 60 ºC'de yapılan denemelerde 240 dakika sonunda metallerin çözünme yüzdeleri %95,54 Li, %72,76 Co, %97,19 Mn, %88,70 Ni, %90,57 Fe ve %90,20 Al değerlerine ulaşmıştır.

Abstract:
Aim: The cathode material in waste lithium-ion batteries contains valuable metals such as lithium and cobalt, which have very high economic value, and their uncontrolled release into the environment can also cause serious environmental pollution. In this study, an alternative approach to the recovery of these important metals by leaching method has been investigated. Aqueous solutions saturated with flue gas were used as leaching reagents. Flue gas, which is another source of pollution, was evaluated as a leaching reagent in this way.
Material and method: The cathode materials extracted from the waste lithium-ion batteries were separated from the aluminum foil and powdered after a calcination process. Then, the aqueous solution saturated with flue gas was used as a leaching reagent to dissolve this material. The effects of parameters such as gas flow rate, mixing speed, temperature and solid/liquid ratio on the dissolution process were investigated. The morphological structure of the cathode material before and after the calcination process was examined by XRD and SEM analysis.
Results:  In this study, it was observed that as a result of the calcination of the cathode material, the carbon black and binder in the material were largely removed. The remaining metal content was dissolved in water solutions saturated with flue gas. Among the parameters examined in the dissolution process, it was found that the dissolved metal content increased with the increase in temperature and gas flow rate; It was determined that the dissolved metal content tended to decrease with increasing stirring speed and solid-to-liquid ratio.
Conclusion: The calcination process for the recovery of the cathode active material from waste batteries facilitated the separation of this material into its components. As a result, it has been determined that the aqueous solution saturated with flue gas can be used as a leaching reagent to dissolve the cathode active material. In the experiments carried out at 60 ºC, the dissolution percentages of the metals reached 95.54% Li, 72.76% Co, 97.19% Mn, 88.70% Ni, 90.57% Fe and 90.20% Al in 240 minutes.