Optimization of nickel, cobalt and lithium recovery processes from spent Li-ion batteries
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2022
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: FIRAT TEKMANLI
Danışman: MEHMET KADRİ AYDINOL
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Lityum iyon piller elektrikli araçlarda ve elektrikli cihazlarda yaygınca kullanıldığından ve gelecekte yaygın olarak kullanılmaya devam etme potansiyeline sahip olduğundan, ömrünü tamamlamış pillerin geri dönüştürülmesi zorunluluktur. Atık lityum iyon piller çevreye ve insan sağlığına zararlıdır ve içerdiği kritik metaller nedeniyle de geri dönüştürülmelidir. Lityum iyon piller, katot kimyalarına göre sınıflandırılabilir. Bu tezde, lityum iyon pillerin NMC tipi (Nikel-Mangan-Kobalt) katot kimyası ile geri dönüşümü tartışılmıştır. Atık pillerin geri dönüşümü için iki farklı yaklaşım incelenmiştir. İlk yaklaşım, akım toplayıcı folyodan (katot için genellikle alüminyum folyo) katot aktif malzemeyi sıyırmak ve bu tozları doğrudan çamura dönüştürerek yeni elektrotlar yapmak için kullanmakla ilgilidir. Bu yaklaşım için üç farklı yöntem incelenmiştir. Bunlar piroliz yöntemi, PVDF'nin çözünmesi yönteminin ve alüminyum folyonun çözündürülmesi yöntemidir. Isıl işlem yöntemi, katot aktif malzemelerin performansına hem kapasite hem de çevrim ömrü açısından olumsuz etki göstermektedir. PVDF çözünme yöntemi ise umut verici elektrokimyasal sonuçlar göstermiştir, ancak kalıntı/çözünmemiş PVDF, istenmeyen partikül aglomerasyonuna yol açmaktadır. Alüminyumun çözündürülmesi yönteminde, kalıntı alüminyum yetersiz kapasite korunumu problemine yol açmaktadır. Diğer yaklaşım, atık lityum iyon katotların asit ile liç edilmesi ve daha sonra elde edilen liç çözeltisi ile doğrudan birlikte çöktürme yöntemi ile yeni katot aktif materyalinin sentezlenmesidir. Bu yaklaşımda, katot kütlesinden %99'a kadar Li, %97Ni, %96 Co ve %98 Mn geri kazanılmış ve birlikte çöktürme yöntemi ile yeni katot aktif malzemeler sentezlenmiştir. Bu malzeme ile hazırlanan elektrot, 50 döngüden sonra %94,2 kapasite korunumu göstermektedir ve ilk ve son deşarj kapasiteleri sırasıyla 151.58 mAh/g ve 142.83 mAh/g olup, 0.5C hızında şarj/deşarj edilerek NMC-111'in referans kapasitesi 155 mAh/ g değerinde alınmıştır. Her iki yaklaşımda da amaç, kapalı döngü bir geri dönüşüm süreci oluşturmak ve mevcut yöntemlerde olan kompleks proseslerin ve fazladan maliyet gerektiren konvansiyonel yöntemlerin dezavantajlarını ortadan kaldırmaktır. Geri dönüşüm süreçleri için dünya çapında birçok pirometalurjik ve hidrometalurjik çalışma yapılmıştır. Yine de, henüz kapalı döngü bir proses değildir ve çeşitli asitler ve indirgeyici maddelerle yapılan hidrometalurjik çalışmaların optimizasyona ihtiyacı vardır. Çevre kirliliği açısından pirometalurjik metodlarla değil, hidrometalurjik yöntemlerle geri dönüştürülmesi amaçlanan lityum iyon piller bu tezde öncelikle deşarj edilerek komponentlerine ayrılmıştır. Çalışmada kullanılan atık lityum iyon pil katotlarında bağlayıcı olarak kullanılan organiğin PVDF olduğu belirlenmiştir. İşlemler sırasında HF gazı emisyonun ve katotun yapısınıa ve davranışına olan etkisi araştırılmıştır. Asit liçi, çeşitli asitler ve indirgeyici ajanlar ile çalışılmıştır.