Käytettyjen NiMH- ja litiumioniakkujen hydrometallurgisen kierrätyksen haasteet

Antti Porvali

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Ladattavat akut kuten nikkelimetallihydridiakut (NiMH-akut) ja litiumioniakkujen uniikki kemia ja nopea yleistyminen ovat asettaneet yhteiskunnan metallurgiset kierrättäjät monimutkaisen haasteen eteen. NiMH-akut sisältävät hyvin reaktiivisia metalliseoksia sekä hydroksideja, kun taas valtaosa Li-ioni-akuista sisältää stabiileja korkean hapetusasteen metalloksidirakenteita. Käytettyjen akkujen metallurgisen kierrätyksen tutkiminen ja kemiallisen käyttäytymisen parempi ymmärtäminen ovat tämän väitöstyön päätavoitteita. Tässä väitöstyössä tutkittiin NiMH- ja litiumioniakkujen hydrometallurgista kierrätystä. Liuottimena käytettiin pääosin H2SO4:a, mutta myös HCl:a tutkitiin litiumioniakkujen kierätyksessä. Litiumioniakkujen liukenemiskäyttäytymistä epäpuhtauksien läsnäollessa tutkittiinmyös synteettisillä raaka-aineilla: aktiivimateriaalia, eli litiumkobolttioksidia (LiCoO2) liuotettiin rautaionien ja metallisen kuparin läsnäollessa H2SO4:ssa, kirjallisuuteen verraten miedoissa olosuhteissa (T = 30 °C, [H2SO4] = 2 M, ilman H2O2:a). Tutkitut lisäaineet perustuivatymmärrykseen siitä, mitä akuissa sekä akkujätteessä itsessään on. Kokeissa saavutettiin korkeita (95 – 100%) Co:n liuotustehokkuuksia, sekä osoitettiin liukenemisen etenevän rautaionien katalysoimana, tehostaen kuparin ja LiCoO2:n liukenemista. Osoitettiin, että pieni määrärautaioneja (<1 g/L) tehostavat LiCoO2:n sekä metallisen kuparin liukenemista. NiMH-akkujen tapauksessa tutkittiin liuotusta ja liuokseen siirtyvien harvinaisten maametallien (REE = La, Ce, Pr, Nd) talteenottoa perinteisellä tuplasuolasaostuksella (>98% saanto), sekä edelleen näiden tuplasuolojen puhdistusta. Tuplasuolojen saostuksessa havaittiin sekakiteiden (Na, K, REE) muodostumista. Tuplasuolojen jatkoprosessointia tutkittiin hydroksidikonversiolla sekä samanaikaisella ceriumin hapetuksella, jossa saavutettiin parhaimmillaan 93% hapetusaste. Samalla havaittiin myös merkkejä epätäydellisestä konversiosta ja harvinaisten maametallien hydroksisulfaattien muodostumisesta, minkä oletetaan johtavan rajalliseen ceriumin hapettumiseen. Tätä prosessivaihetta ja siitä syntyvien sivuvirtojen käsittelyä tutkittiin myös prosessimallinuksen, siihen perustuvan regressiomallin ja kokeellisen työn yhdistelmällä. Tämän väitöstyön kokoonkasaava teema pyrkii selkeyttämään miten hydrometallurgista tutkimusmetodologiaa voisi kehittää tehokkaampaan suuntaan tutkimuksessa, joka koskee todellisen akkujätteen kierrätystä. Todettiin, että raaka-aineiden karakterisointiin sekä senluotettavuuteen tulee kiinnittää huomiota. Synteettisten raaka-aineiden käyttö teollisen raaka-aineen rinnalla tukee kompleksisen reaktiosysteemin tutkimusta, kunhan synteettiset raaka-aineet perustuvat teollisen jätteen karakterisointiin, ja edustavan todellisessa systeemissä tapahtuvia ilmiöitä. Prosessivaiheiden mallinnus yhdistettynä kokeelliseen työhön, jossa synteettisiin sekä teollisiin raaka-aineisiin perustuvat tutkimuskokonaisuudet täydentävät toinen toisiaan, edistää tehostetusti hydrometallurgisten reaktiojärjestelmien ymmärrystä.
Julkaisun otsikon käännösKäytettyjen NiMH- ja litiumioniakkujen hydrometallurgisen kierrätyksen haasteet
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Lundström, Mari, Vastuuprofessori
  • Lundström, Mari, Ohjaaja
  • Wilson, Ben, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-8828-0
Sähköinen ISBN978-952-60-8829-7
TilaJulkaistu - 2020
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • kierrätys
  • akut
  • hydrometallurgia
  • nikkelimetallihydridiakut
  • litiumioniakut
  • liuotus

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Käytettyjen NiMH- ja litiumioniakkujen hydrometallurgisen kierrätyksen haasteet'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä