Valorizacija kobalta iz katodnog materijala istrošenih litijum-jonskih baterija

Abstract

U doktorskoj disertaciji ispitivana je mogućnost valorizacije kobalta iz istrošenih litijumjonskih baterija. Detaljno je proučen i razvijen svaki stadijum u procesu reciklaže baterija. Primenom TGA analize određena je vrednost optimalne temperature za odvajanje katodnog materijala od aluminijumske folije. Metode ICP-OES i XRD korišćene su za razvoj metodologije za klasifikaciju litijum-jonskih baterija na osnovu hemijskog sastava katodnog materijala. Razvijena je i aparatura za praćenje koncentracije kobalta u lužnim rastvorima, uz dobijanje preciznih informacija o valentnom stanju jona kobalta. Utvrđeni su optimalni uslovi luženja katodnog materijala u atmosferi azota, kiseonika i sumpor-dioksida. Sprovedena kinetička analiza procesa luženja katodnog materijala u tri ispitivana sistema za luženje, ukazala je da se rastvaranje katodnog materijala u atmosferi N2, O2 i u prisustvu redukcionog sredstva, odvija u jednom stadijumu. U reakciji rastvaranja katodnog materijala u atmosferi N2 i O2 nastaje mešoviti oksid Co3O4. Nagrađeni oksid kobalta formira teško rastvorni, porozni sloj, koji sa vremenom raste. Narastajući sloj Co3O4 sprečava transport jona Li i Co iz katodnog materijala, kao i transport agensa za luženje do reakcione površine. Posledice navedenog su manje vrednosti stepena izluženja kobalta. Za razliku od sistema luženja katodnog materijala u atmosferi O2 i N2, mehanizam izluženja Co u atmosferi SO2 odvija se u jednom stadijumu, bez formiranja čvrstog Co3O4 kao produkta reakcije luženja. Snimljeni ciklični voltagrami ukazali su da dobijeni lužni rastvori nisu pogodni za elektrolitičko taloženje kobalta, i da je za veći stepen efikasnosti procesa neophodno povećati pH i električnu provodljivost rastvora.

In this doctoral dissertation, the possibility of valorization of cobalt from spent lithium-ion batteries was investigated. Each stage in the battery recycling process was studied and developed in detail. Using TGA analysis, the optimal temperature value for separation of the cathode material from the aluminium foil was determined. The ICP-OES and XRD methods were used to develop the methodology for classification of lithium-ion batteries based on the chemical composition of the cathode material. In addition, the apparatus for monitoring cobalt concentration in the leach solutions was developed, providing precise information on the valence state of cobalt ions. Optimal conditions for the cathode material leaching process in the atmospheres of nitrogen, oxygen and sulfur-dioxide were determined. The performed kinetic analysis of cathode material leaching in the three investigated leaching systems indicates that dissolution of the cathode material in the N2 and O2 atmospheres and in the presence of a reducing agent, proceeds in one stage. The dissolution reaction of the cathode material in N2 and O2 atmospheres results in the formation of Co3O4 mixed oxide. This oxide forms a hardly soluble porous layer which grows with time. The growing Co3O4 layer prevents the transport of Li and Co ions from the cathode material, as well as the transport of the leaching agents to the reaction surface. Consequently, the values of the degree of cobalt leaching are lower. Unlike the cathode material leaching in O2 and N2 atmosphere, the leaching mechanism of Co in SO2 atmosphere occurs in one stage, without the formation of solid Co3O4 as the product of the leaching reaction. The recorded cyclic voltagrams indicate that the obtained leach solutions are not convenient for electrolytic deposition of cobalt and that in order to achieve higher process efficiency it is necessary to increase the pH value and electrical conductivity of the solution.