Lithium-Ion Batteries recycling and separation of anode and cathode materials with froth flotation

Abstract

Lithium-Ion batteries have become an important technology due to sustainable development, the green transition, and the proliferation of electronic devices. However, as the number and capacity of lithium-ion batteries increases, recycling of batteries is not at the same level. Current methods focus on the recovery of valuable materials such as cobalt, nickel and manganese, due to its cost-effectiveness. As a result, low-value materials are treated as impurities in the recycling process and end up as waste. The recycling of lithium-ion batteries is important from the point of view of material sufficiency, the environment, safety, and the circular economy. In addition to material sufficiency, the pressure for more efficient recycling is created by regulations and laws that aim to improve recycling. The main challenges in recycling lithium-ion batteries are the diversity between batteries and the toxic and hazardous substances which they contain. These make it difficult to develop a recycling process because the methods are not suitable for recovering all materials. The pre-treatment steps that have been developed have focused on improving the recovery and separation of all materials, but graphite still ends up as waste. Froth flotation has been investigated as a new pre-treatment step that could separate anode and cathode materials. Flotation has been a promising method as the anode material is hydrophobic and the cathode material is hydrophilic. So far, studies have been carried out under controlled laboratory conditions and scale, and bringing the method to industrial scale presents its own challenges. Currently, the main challenge in using the flotation method is the attachment of organic matter to the anode and cathode material, which hinders their separation.

Litiumioniakuista on tullut merkittävä teknologia kestävän kehityksen, vihreän siirtymän ja sähköisten laitteiden lisääntymisen vuoksi. Kuitenkin litiumioniakkujen määrän ja niiden kapasiteettien kasvaessa, akkujen kierrätys ei ole samalla tasolla. Nykyiset menetelmät keskittyvät arvokkaiden materiaalien, kuten koboltin, nikkelin ja mangaanin talteenottoon, sen kannattavuuden vuoksi. Tämän seurauksena vähäarvoisia materiaaleja käsitellään epäpuhtauksina kierrätysprosessissa ja päätyvät jätteeksi. Litiumioniakkujen kierrätys on tärkeää materiaalien riittävyyden, ympäristön, turvallisuuden ja kiertotalouden näkökulmasta. Painetta kierrätyksen tehostamiselle luo materiaalien riittävyyden lisäksi erilaiset asetukset ja lait, jotka pyrkivät tehostamaan kierrätystä. Litiumioniakkujen kierrätyksessä on suurimpina haasteina ovat akkujen välinen erilaisuus ja akkujen sisältämät myrkylliset sekä vaaralliset aineet. Nämä tekevät kierrätysprosessin kehittämisestä vaikeaa, koska menetelmät eivät sovellu kaikkien materiaalien talteenottoon. Kehitetyillä esikäsittelyvaiheilla on pyritty parantamaan materiaalien talteenottoa ja erottelua, mutta silti erityisesti grafiitti päätyy jätteeksi. Vaahdotusflotaatiota on tutkittu uudeksi esikäsittelyvaiheeksi, jolla voitaisiin saada eroteltua anodi- ja katodimateriaali. Flotaatio on ollut lupaava menetelmä, sillä anodimateriaali on hydrofobista ja katodimateriaali on hydrofiilistä. Toistaiseksi tutkimukset ovat suoritettu hallituissa laboratorio-olosuhteissa ja -mittakaavassa, ja menetelmän vieminen teolliseen mittakaavaan tuo omat haasteensa. Tällä hetkellä suurimpana haasteena flotaatiomenetelmän hyödyntämisessä on orgaanisen aineksen kiinnittyminen anodi- ja katodimateriaaliin, joka haittaa niiden erottumista toisistaan.