شماره مدرك
19807
شماره راهنما
17110
پديد آورنده
اماميان آباده، اميد
عنوان
بازيافت فلزات ارزشمند از باتريهاي ليتيوم-يوني مستعمل
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
شناسايي و انتخاب مواد مهندسي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1403
صفحه شمار
127ص
توصيفگر ها
كلمات كليدي: بازيافت، باتري ليتيوم-يوني، كاتد، هيدرومتالورژي، انحلال، رسوبگذاري.
تاريخ ورود اطلاعات
1403/07/23
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندس مواد و متالورژي
دانشكده
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/01/31
كد ايرانداك
23073116
چكيده فارسي
گسترش كاربرد و استفاده از باتريهاي ليتيوم-يوني در مصارف خانگي، صنعتي، حملونقل و پزشكي سبب شد تا مقولۀ توليد و امحاي آن به چالشي مهم براي جهان امروز بدل شود. تأمين مواداوليه براي توليد، سرعت فزايندۀ توليد و مصرف، خطرات زيستمحيطي باتريهاي ليتيوم-يوني مستعمل و عيار بالاي فلزات ارزشمند و صنعتي موجود در تركيب باتريها حاوي تركيبات فلز اكسيدي ليتيوم، كبالت، نيكل، منگنز و آلومينيوم دلايل محكمي براي بازيافت به شمار ميآيد. از اين رو پژوهش با هدف بازيابي فلزات ارزشمند و صنعتي موجود در تركيب كاتد باتريهاي ليتيوم-يوني مستعمل، حذف و يا كاهش خطرات زيستمحيطي، تأمين مواداوليه و ايجاد يك حلقۀ بسته از توليد تا مصرف و كاهش استفاده از منابع اوليه آغاز شد. از ميان روشهاي پيرومتالورژي، هيدرومتالورژي و بيوهيدرومتالورژي، روش هيدرومتالورژي به دليل بازدهي و سرعت توليد بالا، سازگاري بيشتر با محيطزيست و توليد آلايندههاي كمتر روش بهينه و مناسب تشخيص داده شد. در مراحل آمادهسازي نمونه و به كمك فرآيندهاي تخليۀ الكتريكي، باز كردن باتري و تفكيك كاتد از ساير بخشهاي تشكيلدهنده، خردايش مكانيكي و الك كردن، پودر مناسبي براي فرآيند انحلال تهيه گرديد. در فرآيند مذكور از محلولهاي اسيدي و قليايي استفاده شد كه در ميان دو نوع اسيد معدني و آلي، اسيد آلي مانند سيتريك اسيد، اگزاليك اسيد و فسفريك اسيد با خاصيتهايي از قبيل اسيديتۀ بالا، آلايندگي كم و امكان بازيابي و استفادۀ مجدد در اولويت مصرف قرار گرفت. محصول هر فرآيند انحلال شامل رسوب پودري و محلول حاوي فلزات هدف بود. به كمك فرآيند فيلتر رسوب به دست آمده از محلول جدا شده و پس از خشك شدن و حذف رطوبت موجود، در فرآيند انحلال بعدي مورداستفاده قرار گرفت تا فلزي ديگر از ساير فلزات موجود در تركيب پودر جدا گردد. فلزات انحلال يافته در محلول نيز به كمك فرآيند رسوبگذاري و با افزودن يك تركيب نمك فلزي ديگر رسوب داشته و ساير فلزات موجود در محلول جدا ميشد. در مرحلۀ اول انحلال و با هدف حذف آلومينيوم از تركيب پودر، محلول اگزاليك اسيد با انحلال بيش از 99 درصد آلومينيوم و 96 درصد ليتيوم و همچنين رسوبدهي بيش از 99 درصد از تركيب فلزات كبالت، نيكل، منگنز و آهن به عنوان بهينهترين گزينه تعيين گردد. در انحلال مرحلۀ دوم نيز با هدف بازيابي كبالت، رسوب به دست آمده از انحلال مرحلۀ اول با اگزاليك اسيد، در محلول حاوي سولفوريك اسيد به عنوان محلول پايه و سيتريك اسيد به عنوان احياكننده انحلال يافت كه توانست ضمن انحلال بيش از 99 درصد نيكل و منگنز، رسوبي حاوي 95 درصد تركيبات كبالت و 3 درصد ليتيوم را تهنشين نمايد و به عنوان بهينهترين گزينۀ مرحلۀ دوم انحلال معرفي گردد. محلول حاوي تركيبات ليتيوم و آلومينيوم محصول از انحلال مرحلۀ اول نيز در رسوبگذاري مرحلۀ اول مورداستفاده قرار گرفت. در اين مرحله اضافه شدن سديم كربنات سبب شد تا رسوبدهي ليتيوم كربنات با بازدهي 85 درصد انجام شده و محلولي حاوي تركيبات آلومينيومي برجاي بماند. در مرحلۀ سوم رسوبگذاري نيز از محلول به دست آمده از انحلال مرحلۀ دوم حاوي تركيبات نيكل و منگنز استفاده شد كه با افزودن آمونيوم كلريد، تركيب پودري منگنز دياكسيد با بازدهي 88 درصدي رسوب نموده و محلول حاوي تركيبات نيكلي بود. در ادامۀ پژوهش مذكور نيز توصيه ميشود كه به منظور بازيابي دو فلز آلومينيوم و نيكل موجود در محلولهاي حاصل از رسوبگذاريهاي مراحل اول و سوم، از روش الكتروشيمي استفاده شود.
چكيده انگليسي
The growing application and use of lithium-ion batteries in household, industrial, transportation, and medicine have made their production and disposal significant challenges in todayʹs world. The need for raw materials for production, the increasing speed of production and consumption, the environmental risks posed by used lithium-ion batteries and the high grade of precious and industrial metals in the composition of batteries containing lithium, cobalt, nickel, manganese and aluminum oxide are all reasons for recycling. Therefore, it was started with the aim of recovering valuable and industrial metals from the cathode composition of used lithium-ion batteries, eliminating or reducing environmental risks, providing raw materials and creating a closed loop from production to consumption, and reducing the use of primary resources. Among the methods of pyrometallurgy, hydrometallurgy and biohydrometallurgy, hydrometallurgy method was recognized as the optimal and most appropriate method due to its high efficiency and production speed, greater compatibility with the environment and lower production of pollutants. In the step of sample preparation, and with the help of electrical discharge processes, the battery was opened, and the cathode was separated from the other constituent parts through, mechanical crushing and sieving, resulting in a suitable powder prepared for the leaching process. In the mentioned process, acidic and alkaline solutions were used, among the two types of acids, inorganic and organic, organic acids are preferred due to their properties such as high acidity, low pollution and the possibility of recovery and reuse. Dissolved metals in the solution were precipitated through the sedimentation process and by adding another metal salt compound, while other metals in the solution were separated. In the first stage of leaching, with the aim of removing aluminum from the powdered composition, an oxalic acid solution that dissolves more than 99% of aluminum and 96% of lithium, while also precipitating more than 99% of the combination of cobalt, nickel, manganese, and iron metals should be identified as the most optimal option. In the leaching of the second step, aimed at recovering cobalt, the sediment obtained from the first stepʹs leaching with oxalic acid was dissolved in a solution containing sulfuric acid as a base and citric acid as a reducing agent, which was able to dissolve more than 99% of nickel and manganese. A deposit containing 95% cobalt compounds and 3% lithium is introduced as the most optimal option for the second stage of leaching. At this stage, the addition of sodium carbonate resulted in the deposition of lithium carbonate with an efficiency of 85%, leaving a solution that contains aluminum compounds. In the third step of deposition, the solution obtained from the leaching process in the second step, which contained nickel and manganese compounds, was used. By adding ammonium chloride, manganese dioxide was precipitated as a powder with an efficiency of 88%, while the solution contained nickel compounds.
Keywords: Recycling, Lithium-ion Battery, Cathode, Hydrometallurgy, Leaching, Precipitation.
استاد راهنما
مسعود پنجه پور , محمود مرآتيان اصفهاني
استاد داور
مهدي احمديان , مهران نحوي