Isolation of Ti(IV) Concentrate from Spent Lithium-Ion Batteries

A. V. Kozhevnikova; Кожевникова А. В.; E. S. Uvarova; Уварова Е. С.; N. A. Milevskii; Милевский Н. А.; Yu. A. Zakhodyaeva; Заходяева Ю. А.; A. A. Voshkin; Вошкин А. А.

doi:10.31857/S0040357123050111

Выделение концентрата Ti(IV) из отработанных литий-ионных аккумуляторов

Авторы: Кожевникова А.В.¹, Уварова Е.С.¹^,2, Милевский Н.А.¹, Заходяева Ю.А.¹, Вошкин А.А.¹
Учреждения:
1. Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН
2. Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева
Выпуск: Том 57, № 5 (2023)
Страницы: 553-562
Раздел: Статьи
Статья опубликована: 01.09.2023
URL: https://rjmseer.com/0040-3571/article/view/652856
DOI: https://doi.org/10.31857/S0040357123050111
EDN: https://elibrary.ru/MFGYFD
ID: 652856

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Литий-титанатные аноды все чаще начинают применяться в реальном производстве литий-ионных аккумуляторов ввиду их преимуществ в скорости заряда/разряда и безопасности использования относительно графитных анодов. Помимо высокого содержания кобальта и лития, добавление титана в состав аккумуляторов еще сильнее поднимает их стоимость, и вопрос переработки таких батарей становится крайне актуальным. В рамках данной статьи проведен сравнительный анализ гидрометаллургической переработки батарей, содержащих литий-титанатный анод и никель-марганец-кобальтовый катод, методом выщелачивания минеральными кислотами: серной и соляной. Показаны зависимости степени выщелачивания металлов из реальных образцов анода и катода в их смеси в зависимости от концентрации минеральной кислоты, вспомогательных добавок, соотношения твердое тело : жидкость, а также получены температурные и кинетические зависимости данного процесса. По результатам качественного и количественного анализа растворов выщелачивания были предложены условия проведения процесса выщелачивания для дальнейшего экстракционного разделения. Показано, что целесообразно двухэтапное последовательное выщелачивание соляной, а затем серной кислотой с выделением концентрата титана. Важным аспектом работы является изучение совместного выщелачивания катода и анода, поскольку в известных процессах механической переработки отсутствует стадия их разделения.

Ключевые слова

выщелачивание, литий-ионные аккумуляторы, литий-титанатный анод, разделение, гидрометаллургия

Список литературы

IEA (2023), Global EV Outlook 2023, IEA, Paris Https://Www.Iea.Org/Reports/Global-Ev-Outlook-2023, License: CC BY 4.0;
Xuan W., de Souza Braga A., Korbel C., Chagnes A. New Insights in the Leaching Kinetics of Cathodic Materials in Acidic Chloride Media for Lithium-Ion Battery Recycling. Hydrometallurgy 2021, 204, 105705, https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2021.105705
Liu C., Lin J., Cao H., Zhang Y., Sun Z. Recycling of Spent Lithium-Ion Batteries in View of Lithium Recovery: A Critical Review. J. Clean Prod 2019, 228, 801–813, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.04.304
Shishov A., Chromá R., Vakh C., Kuchár J., Simon A., Andruch V., Bulatov A. In Situ Decomposition of Deep Eutectic Solvent as a Novel Approach in Liquid-Liquid Microextraction. Anal Chim Acta 2019, 1065, 49–55, https://doi.org/10.1016/j.aca.2019.03.038
Shishov A., Bulatov A., Locatelli M., Carradori S., Andruch V. Application of Deep Eutectic Solvents in Analytical Chemistry. A Review. Microchemical J. 2017, 135, 33–38, https://doi.org/10.1016/j.microc.2017.07.015
Zinov’eva I.V., Fedorov A.Ya., Milevskii N.A., Zakhodyaeva Yu.A., Voshkin A.A. Dissolution of Metal Oxides in a Choline Chloride–Sulphosalicylic Acid Deep Eutectic Solvent. Theoretical Foundations of Chemical Engineering 2021, 55, 663–670, https://doi.org/10.1134/S0040579521040370
Abbott A.P., Capper G., Davies D.L., McKenzie K.J., Obi S.U. Solubility of Metal Oxides in Deep Eutectic Solvents Based on Choline Chloride. J. Chem Eng. Data 2006, 51, 1280–1282, https://doi.org/10.1021/je060038c
Pateli I.M., Thompson D., Alabdullah S.S.M., Abbott A.P., Jenkin G.R.T., Hartley J.M. The Effect of PH and Hydrogen Bond Donor on the Dissolution of Metal Oxides in Deep Eutectic Solvents. Green Chemistry 2020, 22, 5476–5486, https://doi.org/10.1039/D0GC02023K
Cao J., Chen L., Li M., Cao F., Zhao L., Su E. Two-Phase Systems Developed with Hydrophilic and Hydrophobic Deep Eutectic Solvents for Simultaneously Extracting Various Bioactive Compounds with Different Polarities. Green Chemistry 2018, 20, 1879–1886, https://doi.org/10.1039/C7GC03820H
Spathariotis S., Peeters N., Ryder K.S., Abbott A.P., Binnemans K., Riaño S. Separation of Iron(III), Zinc(II) and Lead(II) from a Choline Chloride–Ethylene Glycol Deep Eutectic Solvent by Solvent Extraction. RSC Adv 2020, 10, 33161–33170, https://doi.org/10.1039/D0RA06091G
Mokhodoeva O., Maksimova V., Shishov A., Shkinev V. Separation of Platinum Group Metals Using Deep Eutectic Solvents Based on Quaternary Ammonium Salts. Sep Purif Technol 2023, 305, 122427, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122427
Wazeer I., Hizaddin H.F., Hashim M.A., Hadj-Kali M.K. An Overview about the Extraction of Heavy Metals and Other Critical Pollutants from Contaminated Water via Hydrophobic Deep Eutectic Solvents. J. Environ Chem Eng 2022, 10, 108574, https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.108574
Zinov’eva I.V., Kozhevnikova A.V., Milevskii N.A., Zakhodyaeva Yu.A., Voshkin A.A. Extraction of Cu(II), Ni(II), and Al(III) with the Deep Eutectic Solvent D2EHPA/Menthol. Theoretical Foundations of Chemical Engineering 2022, 56, 221–229, https://doi.org/10.1134/S0040579522020178
Ku H., Jung Y., Jo M., Park S., Kim S., Yang D., Rhee K., An E.-M., Sohn J., Kwon K. Recycling of Spent Lithium-Ion Battery Cathode Materials by Ammoniacal Leaching. J. Hazard Mater 2016, 313, 138–146, https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2016.03.062
Chen H., Gu S., Guo Y., Dai X., Zeng L., Wang K., He C., Dodbiba G., Wei Y., Fujita T. Leaching of Cathode Materials from Spent Lithium-Ion Batteries by Using a Mixture of Ascorbic Acid and HNO3. Hydrometallurgy 2021, 205, 105746, https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2021.105746
Zhang P., Yokoyama T., Itabashi O., Suzuki T.M., Inoue K. Hydrometallurgical Process for Recovery of Metal Values from Spent Lithium-Ion Secondary Batteries. Hydrometallurgy 1998, 47, 259–271, https://doi.org/10.1016/S0304-386X(97)00050-9
Sun L., Qiu K. Vacuum Pyrolysis and Hydrometallurgical Process for the Recovery of Valuable Metals from Spent Lithium-Ion Batteries. J. Hazard Mater 2011, 194, 378–384, https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2011.07.114
Https://Www.Kbkeurope.de/Products-Service/LTO-Battery-for-EV-Bus.
Mei J., Cheng E.K.W., Fong Y.C. Lithium-Titanate Battery (LTO): A Better Choice for High Current Equipment. In Proceedings of the 2016 International Symposium on Electrical Engineering (ISEE); IEEE, December 2016; pp. 1–4.
Bhar M., Ghosh S., Krishnamurthy S., Kaliprasad Y., Martha S.K. A Review on Spent Lithium-Ion Battery Recycling: From Collection to Black Mass Recovery. RSC Sustainability 2023, https://doi.org/10.1039/D3SU00086A
van Dyk J.P., Vegter N.M., Pistorius P.C. Kinetics of Ilmenite Dissolution in Hydrochloric Acid. Hydrometallurgy 2002, 65, 31–36, https://doi.org/10.1016/S0304-386X(02)00063-4
Imahashi M., Takamatsu N. The Dissolution of Titanium Minerals in Hydrochloric and Sulfuric Acids. Bull Chem Soc Jpn 1976, 49, 1549–1553, https://doi.org/10.1246/bcsj.49.1549
Chen W.-S., Ho H.-J. Recovery of Valuable Metals from Lithium-Ion Batteries NMC Cathode Waste Materials by Hydrometallurgical Methods. Metals (Basel) 2018, 8, 321, https://doi.org/10.3390/met8050321
Tang W., Chen X., Zhou T., Duan H., Chen Y., Wang, J. Recovery of Ti and Li from Spent Lithium Titanate Cathodes by a Hydrometallurgical Process. Hydrometallurgy 2014, 147–148, 210–216, https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2014.05.013
Nguyen T.H., Lee M.S. A Review on the Recovery of Titanium Dioxide from Ilmenite Ores by Direct Leaching Technologies. Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review 2019, 40, 231–247, https://doi.org/10.1080/08827508.2018.1502668
Zhao Y., Liu B., Zhang L., Guo S. Microwave Pyrolysis of Macadamia Shells for Efficiently Recycling Lithium from Spent Lithium-Ion Batteries. J Hazard Mater 2020, 396, 122740, https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.122740
Vieceli N., Benjamasutin P., Promphan R., Hellström P., Paulsson M., Petranikova M. Recycling of Lithium-Ion Batteries: Effect of Hydrogen Peroxide and a Dosing Method on the Leaching of LCO, NMC Oxides, and Industrial Black Mass. ACS Sustain Chem Eng 2023, 11, 9662–9673, https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c01238
Kozhevnikova A.V., Zinov’eva I.V., Zakhodyaeva Y.A., Baranovskaya V.B., Voshkin A.A. Application of Hydrophobic Deep Eutectic Solvents in Extraction of Metals from Real Solutions Obtained by Leaching Cathodes from End-of-Life Li-Ion Batteries. Processes 2022, 10, 2671, https://doi.org/10.3390/pr10122671