DE102018117237A1 - Hydrometallurgical recycling process of lithium-ion traction batteries - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein hydrometallurgisches Recyclingverfahren von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien umfassend die folgenden Schritte:a) Erzeugung einer Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan (Li, Co, Ni, Mn) enthaltenden wässrigen Lösung ausgehend von zu recycelndem festen Batteriematerial durch Zugabe einer wässrigen Säure zu dem festen Batteriematerial, nachfolgendb) optionale Abtrennung von unlöslichen Bestandteilen,wobei das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst:c) Fällung der Übergangsmetalle Ni, Co, Mn aus der Lösung des Schritts a) oder b),d) Abtrennung des Fällungsniederschlags, optional Waschen des Fällungsniederschlags,e) Gewinnung von Lithiumcarbonat aus der flüssigen Phase und den optionalen Waschlösungen,f) schrittweises Lösen der einzelnen Übergangsmetalle Mn, Ni und Co derart, dass jeweils Lösungen entstehen, die nur noch ein Übergangsmetall Mn, Ni oder Co enthalten, undg) galvanostatische Abscheidung von elementarem Ni und elementarem Co aus der jeweiligen aus Schritt f) gewonnenen Lösung. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Übergangsmetalle und das Lithium nicht nur getrennt wiedergewonnen werden, es werden die Übergangsmetalle zudem in elementarer Form und das Lithium als Carbonat erhalten, was eine Wiederverwendung in verschiedensten Anwendungen ermöglicht.The invention relates to a hydrometallurgical recycling process of lithium-ion traction batteries comprising the following steps: a) Generation of an aqueous solution containing lithium, cobalt, nickel and manganese (Li, Co, Ni, Mn) starting from solid battery material to be recycled by adding an aqueous one Acid to the solid battery material, hereinafter b) optional separation of insoluble constituents, the process comprising the following further steps: c) precipitation of the transition metals Ni, Co, Mn from the solution of step a) or b), d) separation of the precipitation precipitate, optionally washing the precipitate, e) obtaining lithium carbonate from the liquid phase and the optional washing solutions, f) gradually dissolving the individual transition metals Mn, Ni and Co in such a way that solutions are formed which contain only one transition metal Mn, Ni or Co, andg) galvanostatic deposition of elemental Ni and elemental Co from the respective solution obtained from step f). The process according to the invention not only enables the transition metals and the lithium to be recovered separately, the transition metals are also obtained in elemental form and the lithium as carbonate, which enables reuse in a wide variety of applications.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydrometallurgisches Recyclingverfahren von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien, insbesondere für Elektrofahrzeuge, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a hydrometallurgical recycling process of lithium-ion traction batteries, in particular for electric vehicles, with the features of the preamble of
Im Stand der Technik sind hydrometallurgische Recyclingverfahren von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien bekannt, die insbesondere das Lithium in Form verschiedener Salzverbindungen wiedergewinnen. In Bezug auf die in dem jeweiligen Batteriematerial mitenthaltenen Übergangsmetalle werden ebenfalls verschiedene Aufbereitungsschritte in der Technik beschrieben, grundsätzlich werden die Übergangsmetalle jedoch ebenfalls als Salzverbindungen beziehungsweise Oxide zurückgewonnen oder die Lösungen werden verworfen.In the prior art, hydrometallurgical recycling processes of lithium-ion traction batteries are known, which in particular recover the lithium in the form of various salt compounds. Various processing steps are also described in the art with regard to the transition metals contained in the respective battery material, but in principle the transition metals are also recovered as salt compounds or oxides or the solutions are discarded.
Aus der
Eine Weiterbildung dieses Verfahrens ist aus der
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein hydrometallurgisches Recyclingverfahren von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien zur Verfügung zu stellen, durch das die Übergangsmetalle und das Lithium nicht nur getrennt wiedergewonnen werden können. Es zudem wünschenswert, dass die Übergangsmetalle durch ein Recyclingverfahren in elementarer Form und gleichzeitig das Lithium als Carbonat erhalten werden, was eine Wiederverwendung in verschiedensten Anwendungen ermöglicht. Außerdem soll das Verfahren auch großtechnisch angewandt werden können.The object of the present invention is therefore to provide a hydrometallurgical recycling process for lithium-ion traction batteries by means of which the transition metals and the lithium can not only be recovered separately. It is also desirable that the transition metals be obtained in an elemental form by a recycling process and at the same time the lithium as carbonate, which enables reuse in a wide variety of applications. In addition, the process should also be able to be used on an industrial scale.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein hydrometallurgisches Recyclingverfahren von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.According to the invention, this object is achieved by a hydrometallurgical recycling process of lithium-ion traction batteries with the features of
Das erfindungsgemäße hydrometallurgische Recyclingverfahren von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien weist die folgenden Schritte auf:
- a) Erzeugung einer Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan (Li, Co, Ni, Mn) enthaltenden wässrigen Lösung ausgehend von zu recycelndem festen Batteriematerial durch Zugabe einer wässrigen Säure zu dem festen Batteriematerial, nachfolgend
- b) optionale Abtrennung von unlöslichen Bestandteilen,
- c) Fällung der Übergangsmetalle Ni, Co, Mn aus der Lösung des Schritts a) oder b),
- d) Abtrennung des Fällungsniederschlags, optional Waschen des Fällungsniederschlags,
- e) Gewinnung von Lithiumcarbonat aus der flüssigen Phase und den optionalen Waschlösungen,
- f) schrittweises Lösen der einzelnen Übergangsmetalle Mn, Ni und Co derart, dass jeweils Lösungen entstehen, die nur noch ein Übergangsmetall Mn, Ni oder Co enthalten, und
- g) galvanostatische Abscheidung von elementarem Ni und elementarem Co aus der jeweiligen aus Schritt f) gewonnenen Lösung.
- a) Generation of an aqueous solution containing lithium, cobalt, nickel and manganese (Li, Co, Ni, Mn) starting from solid battery material to be recycled by adding an aqueous acid to the solid battery material, hereinafter
- b) optional separation of insoluble constituents,
- c) precipitation of the transition metals Ni, Co, Mn from the solution of step a) or b),
- d) separation of the precipitate, optionally washing the precipitate,
- e) obtaining lithium carbonate from the liquid phase and the optional washing solutions,
- f) gradually dissolving the individual transition metals Mn, Ni and Co in such a way that solutions are formed which contain only one transition metal Mn, Ni or Co, and
- g) galvanostatic deposition of elemental Ni and elemental Co from the respective solution obtained from step f).
In Schritt a) wird zu recycelndes festes Batteriematerial durch Zugabe einer wässrigen Säure gelöst. Das zu recycelnde Batteriematerial kann beispielsweise Kathodenmaterial wie LCO, LMO und/oder NMC, aber auch jedes andere Batteriematerial sein, das unter anderen als Bestandteile Verbindungen der Elemente Li, Kobalt, Nickel und Mangan enthält. Es ist auch möglich, dass das zu recycelnde Batteriematerial Lithium-basiert ist und nur Kobalt und Nickel oder nur Kobalt und Mangan oder nur Nickel und Mangan oder nur eines der genannten Übergangsmetalle als Verbindung, insbesondere als Oxide, als Bestandteil aufweist. Gleichermaßen kann das zu recycelnde Batteriematerial eine Mischung aus Kathodenmaterial wie vorstehend beschrieben und Anodenmaterial sein. Dann enthält es zusätzlich Graphit und/oder ein Si-C-Nanokomposit. Das zu recycelnde Batteriematerial kann auch bereits thermisch oder mechanisch beispielsweise durch Zerkleinern vorbehandelt sein.In step a), solid battery material to be recycled is dissolved by adding an aqueous acid. The battery material to be recycled can be, for example, cathode material such as LCO, LMO and / or NMC, but also any other battery material that contains compounds of the elements Li, cobalt, nickel and manganese as components. It is also possible for the battery material to be recycled to be lithium-based and to contain only cobalt and nickel or only cobalt and manganese or only nickel and manganese or only one of the transition metals mentioned as a compound, in particular as oxides, as a constituent. Likewise, the battery material to be recycled can be a mixture of cathode material as described above and anode material. Then it also contains graphite and / or a Si-C nanocomposite. The battery material to be recycled can also have been pretreated thermally or mechanically, for example by crushing.
Die wässrige Säure kann bevorzugt konzentrierte oder verdünnte Salzsäure oder konzentrierte oder verdünnte Schwefelsäure sein, aber auch andere mineralische Säuren sind einsetzbar. Als Beispiele für besonders bevorzugt zur Lösung des zu recycelnden Batteriematerials eingesetzte Säuren sei hier eine 1-5 molare Salzsäure, insbesondere eine 3 molare Salzsäure genannt. Gleichermaßen ist es auch möglich eine 0,5 molare bis 4,0 molare Schwefelsäure zur Lösung des Batteriematerials einzusetzen.The aqueous acid can preferably be concentrated or dilute hydrochloric acid or concentrated or dilute sulfuric acid, but other mineral acids can also be used. A 1-5 molar hydrochloric acid, in particular a 3 molar hydrochloric acid, may be mentioned here as examples of acids which are particularly preferably used to dissolve the battery material to be recycled. Similarly, it is also possible to use 0.5 molar to 4.0 molar sulfuric acid to dissolve the battery material.
In Schritt b) des vorliegenden Verfahrens werden die gegebenenfalls enthaltenen nicht gelösten Bestandteile des zu recycelnden Batteriematerials von der Lösung aus Schritt a) abgetrennt. Hierbei handelt es sich zum Beispiel im Wesentlichen um Graphit und/oder Si-C-Nanokomposit aus eventuell umfassten Anodenmaterial. Die Abtrennung kann beispielsweise durch Filtration erfolgen.In step b) of the present method, any undissolved constituents of the battery material to be recycled that are contained are separated from the solution from step a). This is, for example, essentially graphite and / or Si-C nanocomposite made from possibly included anode material. The separation can take place, for example, by filtration.
Aus der aus Schritt a) oder b) erhaltenen Lösung werden in Schritt c) die Übergangsmetalle Ni, Co und/oder Mn gefällt. Hierzu wird beispielsweise zunächst der pH-Wert der Lösung durch eine Pufferlösung, insbesondere durch eine Ammoniak/Ammoniumchlorid-Pufferlösung, der ausgewählten Fällungsreaktion angepasst. Bevorzugt werden in Schritt c) die enthaltenen Übergangsmetalle Mn, Ni und/oder Co durch Zugabe von Schwefelwasserstoff (H2S) gefällt und setzen sich als fester Niederschlag ab. Im nachfolgenden Schritt d) wird der ausgefällte Niederschlag, welcher nun die Sulfide der enthaltenen Übergangsmetalle Mn, Co und/oder Ni umfasst, zum Beispiel durch Filtration oder Zentrifugieren, von der verbleibenden wässrigen Lösung abgetrennt. In der wässrigen Lösung verbleibt das Lithium als gelöste Salzverbindung. Mit anderen Worten wird in den Schritten c) und d) eine Trennung der Übergangsmetalle Ni, Co und/oder Mn einerseits von der Lithium-enthaltenden Fraktion andererseits vorgenommen. Der Fällungsniederschlag der Übergangsmetalle wird optional ein oder mehrmals gewaschen und die Waschlösungen werden mit der wässrigen, Lithium enthaltenden Fraktion vereinigt.In step c), the transition metals Ni, Co and / or Mn are precipitated from the solution obtained from step a) or b). For this purpose, for example, the pH of the solution is first adjusted to the selected precipitation reaction using a buffer solution, in particular an ammonia / ammonium chloride buffer solution. In step c), the transition metals Mn, Ni and / or Co contained are preferably precipitated by adding hydrogen sulfide (H 2 S) and settle out as a solid precipitate. In the subsequent step d), the precipitate which now comprises the sulfides of the transition metals Mn, Co and / or Ni contained, for example by filtration or centrifuging, is separated from the remaining aqueous solution. The lithium remains in the aqueous solution as a dissolved salt compound. In other words, steps c) and d) separate the transition metals Ni, Co and / or Mn from the lithium-containing fraction on the one hand. The precipitation precipitate of the transition metals is optionally washed one or more times and the washing solutions are combined with the aqueous, lithium-containing fraction.
In Schritt e) wird aus der gegebenenfalls vereinigten wässrigen Lösung aus Schritt c) und d) das Lithium als Lithiumcarbonat gewonnen. Dies kann auf verschiedenen, dem Fachmann an sich bekannten Weisen erfolgen. Zum Beispiel kann der pH-Wert der Lösung durch Zugabe von einer Base in einen basischen Bereich eingestellt werden und man kann dann Natriumcarbonat oder Kaliumcarbonat zugeben, so dass das enthaltene Lithium als Lithiumcarbonat ausfällt. Lithiumcarbonat hat den Vorteil, dass es sich sehr gut aufreinigen lässt und sowohl in der Aluminiumherstellung als auch als Ausgangsstoff für viele weitere Lithiumverbindungen dient. Es ist damit die wichtigste Lithiumverbindung.In step e), the lithium is obtained as lithium carbonate from the optionally combined aqueous solution from steps c) and d). This can be done in various ways known to those skilled in the art. For example, the pH of the solution can be adjusted to a basic range by adding a base and sodium carbonate or potassium carbonate can then be added so that the lithium contained precipitates as lithium carbonate. Lithium carbonate has the advantage that it can be cleaned very well and serves both in aluminum production and as a starting material for many other lithium compounds. It is the most important lithium compound.
In Schritt f) der vorliegenden Verfahrens wird ein schrittweises Lösen der einzelnen Übergangsmetalle Mn, Ni und Co derart durchgeführt, dass jeweils Lösungen entstehen, die nur noch ein Übergangsmetall Mn, Ni oder Co enthalten. Mit anderen Worten wird in diesem Schritt ein nasschemischer Trennungsgang derart durchgeführt, dass beispielsweise aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeiten in verschiedenen Lösungsmitteln nur ein Übergangsmetall als fester Niederschlag ausfällt und die übrigen Übergangsmetalle oder das übrige Übergangsmetall in der Lösung verbleibt. Alternativ können die Löslichkeiten so gewählt werden, dass zwei oder ein Übergangsmetall(e) ausgefällt werden und nur ein Übergangsmetall in der Lösung verbleibt. In einem zweiten nachgelagerten Schritt können dann die in einer Fraktion verbliebenen Übergangsmetalle auf ähnliche Weise voneinander getrennt werden. Ein bevorzugtes Beispiel für eine solche Trennung in Lösungen mit nur jeweils einem Übergangsmetall Co, Ni oder Mn wird nachfolgend im Rahmen einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens detaillierter beschrieben.In step f) of the present method, the individual transition metals Mn, Ni and Co are dissolved step by step in such a way that solutions are formed which only have one Mn, Ni or Co contain transition metal. In other words, in this step, a wet chemical separation process is carried out in such a way that, for example, due to the different solubilities in different solvents, only one transition metal precipitates as a solid precipitate and the other transition metals or the remaining transition metal remain in the solution. Alternatively, the solubilities can be chosen so that two or one transition metal (s) are precipitated and only one transition metal remains in the solution. In a second subsequent step, the transition metals remaining in a fraction can then be separated from one another in a similar manner. A preferred example of such a separation in solutions with only one transition metal Co, Ni or Mn is described in more detail below in the context of a possible embodiment of the method according to the invention.
Abschließend erfolgt in Schritt g) des vorliegenden Verfahrens jeweils eine galvanostatische Abscheidung des Übergangsmetalls Ni, Co und Mn aus ihrer jeweiligen wässrigen Lösung aus Schritt f).Finally, in step g) of the present method, the transition metal Ni, Co and Mn is electrodeposited from their respective aqueous solution from step f).
Vorteile dieses Schrittes sind die einfache Gerätetechnik und die schnelle Durchführung. Der wesentliche Vorteil jedoch liegt darin, dass die Übergangsmetalle in ihrer elementaren Form gewonnen werden. Damit können sie in einer Vielzahl von Anwendungen wieder verwendet werden und ihr Wert, den sie vor der Herstellung der Traktionsbatterie hatten, wird vollumfänglich wieder zurück gewonnen.The advantages of this step are the simple device technology and the quick implementation. The main advantage, however, is that the transition metals are obtained in their elementary form. This means that they can be reused in a wide range of applications and the value they had before the traction battery was manufactured is fully recovered.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in Schritt c) die Übergangsmetalle Mn, Ni, und Co als Sulfide gefällt. Diese Fällungsreaktion lässt sich verlässlich durchführen und weist ausgezeichnete Umsatzraten auf. Damit können die Übergangsmetalle vollständig und sicher von der Lithium-enthaltenden Fraktion getrennt werden. Beispielsweise kann die aus Schritt a) oder b) gewonnene Lösung durch Zugabe einer Pufferlösung, insbesondere durch Zugabe einer Ammoniak/Ammoniumchlorid-Pufferlösung im molaren Verhältnis 1:1, in einem basischen Bereich eingestellt werden, insbesondere bei pH-Werten zwischen 7,5 und 9,0, besonders bevorzugt bei pH-Wert 8,5. Zu der resultierenden basischen Lösung wird in mindestens stöchiometrischen Mengen Schwefelwasserstoff H2S zugegeben. Die festen Sulfidniederschläge der Übergangsmetalle, also MnS, Ni2S3 und/oder Co2S3 werden durch Filtration abgetrennt und optional ein oder mehrmals gewaschen, wie in Schritt d) vorgesehen. Die Waschlösungen werden mit der verbleibenden flüssigen Phase, die das Lithium enthält, vereinigt. Die Fällungsreaktion des Schritts c) kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden.In one embodiment of the present invention, the transition metals Mn, Ni, and Co are precipitated as sulfides in step c). This precipitation reaction can be carried out reliably and has excellent turnover rates. The transition metals can thus be completely and safely separated from the lithium-containing fraction. For example, the solution obtained from step a) or b) can be adjusted in a basic range by adding a buffer solution, in particular by adding an ammonia / ammonium chloride buffer solution in a molar ratio of 1: 1, in particular at pH values between 7.5 and 9.0, particularly preferably at pH 8.5. H 2 S is added to the resulting basic solution in at least stoichiometric amounts. The solid sulfide deposits of the transition metals, that is to say MnS, Ni 2 S 3 and / or Co 2 S 3, are separated off by filtration and optionally washed one or more times, as provided in step d). The wash solutions are combined with the remaining liquid phase, which contains the lithium. The precipitation reaction of step c) can be carried out at room temperature.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt e) die flüssige Phase auf einen basischen pH-Wert eingestellt. Zur Gewinnung des Lithiumcarbonats wird dieses durch Zugabe von Kaliumcarbonat ausgefällt.In one embodiment of the method according to the invention, the liquid phase is adjusted to a basic pH in step e). To obtain the lithium carbonate, it is precipitated by adding potassium carbonate.
Aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeiten der beiden Alkalisalze ist es leicht möglich, Lithiumcarbonat auf diese Weise zu gewinnen. Wie vorstehend beschrieben, ist Lithiumcarbonat industriell das wichtigste Lithiumsalz, das in einer Vielzahl von Anwendungen gebraucht wird. Die Aufreinigung beispielsweise durch Lösen und erneute Fällung kann sehr leicht erfolgen und so kann ein äußerst reines Produkt erhalten werden.Due to the different solubilities of the two alkali salts, it is easily possible to obtain lithium carbonate in this way. As described above, lithium carbonate is industrially the most important lithium salt used in a variety of applications. Purification, for example by dissolving and reprecipitating, can be carried out very easily, and an extremely pure product can be obtained in this way.
Im Unterschied zur Zugabe von Natriumcarbonat, welches im Rahmen der Erfindung ebenfalls möglich ist, hat die Zugabe von Kaliumcarbonat den Vorteil, dass die Löslichkeiten und das Lösungsverhalten der beiden konkurrierenden Salze größere Unterschiede aufweist und daher eine Fällung von Lithiumcarbonat nochmals erleichtert ist.In contrast to the addition of sodium carbonate, which is also possible within the scope of the invention, the addition of potassium carbonate has the advantage that the solubilities and the dissolving behavior of the two competing salts have greater differences and therefore precipitation of lithium carbonate is made even easier.
Beispielsweise kann die aus Schritt d) gewonnene flüssige Phase zunächst durch Zugabe von NaOH auf einen pH-Wert von
In einer Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt f) zunächst das Mangansulfid mit Essigsäure gelöst und vom verbleibenden festen Rückstand abgetrennt. Hierzu werden die aus der Sulfidfällung erhaltenen Rückstände in einer Essigsäurelösung aufgenommen. Beispielsweise kann ein Mengenverhältnis Feststoff : Essigsäure von 1 : 20 eingestellt werden. Der Lösungsprozess kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Vorteilhafterweise wird nur das Mangansulfid hierdurch in Lösung gebracht, es verbleiben die Sulfide des Nickels und/oder Kobalts als nicht gelöste Feststoffe. Die Feststoffe werden von der Lösung abgetrennt, zum Beispiel mittels eines Sedimentabscheiders.In one embodiment of the invention, the manganese sulfide is first dissolved in acetic acid in step f) and separated from the remaining solid residue. For this purpose, the residues obtained from the sulfide precipitation are taken up in an acetic acid solution. For example, a solid: acetic acid ratio of 1:20 can be set. The solution process can be carried out at room temperature. Advantageously, only the manganese sulfide is brought into solution by this, the sulfides of nickel and / or cobalt remain as undissolved solids. The solids are separated from the solution, for example using a sediment separator.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schritt f) gewonnene Mn enthaltende Lösung mit Salzsäure behandelt und es wird ein pH-Wert kleiner 4 eingestellt. Hieraus wird mittels galvanostatischer Abscheidung elementares Mangan gewonnen. Die Einstellung des pH-Werts kann insbesondere durch Zugabe von 0,5 - 2,0 molarer Salzsäurelösung erfolgen, insbesondere durch Zugabe von 1 molarer Salzsäurelösung. Dies erleichtert zusätzlich die nachfolgende elektrochemische Abscheidung.In one embodiment of the process according to the invention, the solution containing Mn obtained in step f) is treated with hydrochloric acid and a pH of less than 4 is set. Elemental manganese is obtained from this by means of galvanostatic deposition. The pH can be adjusted in particular by adding 0.5-2.0 molar hydrochloric acid solution, in particular by adding 1 molar hydrochloric acid solution. This additionally facilitates the subsequent electrochemical deposition.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird nach der Abtrennung der Mn enthaltenden Lösung der Ni und Co enthaltende Rückstand mit Essigsäure und Wasserstoffperoxid gelöst. Die wässrige Essigsäurelösung kann zunächst mit der Wasserstoffperoxidlösung gemischt werden und zu den abgetrennten festen Rückständen aus Schritt f), welche Nickel- und/oder Kobaltsulfide umfasst, bevorzugt in einem Mengenverhältnis von 1 : 20 Feststoff zu Lösung, zugesetzt werden. Es entsteht eine wässrige Lösung, die die beiden verbliebenen Übergangsmetalle Ni und Co enthält. Der Lösungsschritt kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden. In one embodiment of the invention, after the Mn-containing solution has been separated off, the residue containing Ni and Co is dissolved with acetic acid and hydrogen peroxide. The aqueous acetic acid solution can first be mixed with the hydrogen peroxide solution and added to the separated solid residues from step f), which comprises nickel and / or cobalt sulfides, preferably in a ratio of 1:20 solid to solution. An aqueous solution is formed which contains the two remaining transition metals Ni and Co. The solution step can be carried out at room temperature.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Ni und Co enthaltenden Lösung eine Lösung von 2-Ethylhexylhydrogenphosponat (EHPNA) in Toluol und Ammoniumlösung zugegeben und anschließend eine Extraktion und Trennung der organischen und der wässrigen Phase durchgeführt.In one embodiment of the present invention, a solution of 2-ethylhexyl hydrogen phosphonate (EHPNA) in toluene and ammonium solution is added to the solution containing Ni and Co, and the organic and aqueous phases are then extracted and separated.
Beispielsweise kann zunächst eine ca. 3-4 molare wässrige Ammoniumlösung hergestellt werden, zu der eine 20%ige Lösung von EHPNA in Toluol zugesetzt wird. Diese Mischung wird zu der Ni und/oder Co enthaltenden Lösung zugesetzt, bevorzugt in einem Volumenverhältnis von 3 : 1, Mischung Ammonium-EHPNA/Toluol-Lösung zu Ni-Co-Lösung. Es folgt eine Extraktion und Trennung der organischen von der wässrigen Phase. Die Extraktion wird bevorzugt bei erhöhter Temperatur, insbesondere bei 50°C, durchgeführt. Die so erhaltene wässrige Phase enthält Ni in gelöster Form. Die durch Extraktion gewonnene organische Phase enthält Co.For example, an approximately 3-4 molar aqueous ammonium solution can first be prepared, to which a 20% solution of EHPNA in toluene is added. This mixture is added to the solution containing Ni and / or Co, preferably in a volume ratio of 3: 1, mixture of ammonium-EHPNA / toluene solution to Ni-Co solution. The organic phase is then extracted and separated from the aqueous phase. The extraction is preferably carried out at elevated temperature, in particular at 50 ° C. The aqueous phase thus obtained contains Ni in dissolved form. The organic phase obtained by extraction contains Co.
Durch den Extraktionsschritt ist es vorteilhafterweise möglich, die wertigen Übergangsmetalle Nickel und Cobalt voneinander zu trennen, um sie getrennt und rein einer nachfolgenden elektrochemischen Abscheidung zuzuführen. Hierdurch können die bereits zum heutigen Zeitpunkt stark nachgefragten Metalle Nickel und Kobalt getrennt voneinander in elementarer Form erhalten werden. Die aufgezeigte Art der Extraktion lässt sich sehr einfach durchführen, so dass auch dieser Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine großtechnische Anwendung geeignet ist.The extraction step advantageously makes it possible to separate the valuable transition metals nickel and cobalt from one another so that they can be separated and fed purely to a subsequent electrochemical deposition. As a result, the metals nickel and cobalt, which are already in great demand at the present time, can be obtained separately from one another in elementary form. The type of extraction shown can be carried out very easily, so that this step of the method according to the invention is also suitable for large-scale use.
In einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird Ni in elementarer Form aus der wässrigen Phase nach Zugabe von Salzsäure galvanostatisch abgeschieden. Zum Beispiel kann zunächst eine 1 molare Salzsäurelösung der aus der Extraktion gewonnen wässrigen Ni enthaltenden Lösung in einem Volumenverhältnis von ca. 1:1 zugesetzt werden. Die so erhaltene wässrige Lösung wird nachfolgend einer elektrochemischen Abscheidung zur Gewinnung von elementaren Nickel unterworfen.In one embodiment of the present method, Ni is deposited in elemental form from the aqueous phase after the addition of hydrochloric acid. For example, a 1 molar hydrochloric acid solution can first be added to the aqueous Ni-containing solution obtained from the extraction in a volume ratio of approximately 1: 1. The aqueous solution thus obtained is subsequently subjected to electrochemical deposition to obtain elemental nickel.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die organische Phase des vorgelagerten Extraktionsschritts mit Salzsäure behandelt und rückextrahiert, wonach Co aus der rückextrahierten Lösung galvanostatisch in elementarer Form abgeschieden wird. Zum Beispiel kann der organischen Phase der vorhergehenden Extraktion eine 1 molare Salzsäurelösung in einem Volumenverhältnis von ca. 1 : 2, bezogen auf die organische Phase zu der Salzsäurelösung, zugesetzt werden. Es wird eine Extraktion durchgeführt, wonach die wässrige, salzsaure Phase Co enthält. Diese so erhaltene wässrige, salzsaure Co enthaltende Lösung kann anschließend direkt einer elektrochemischen Abscheidung zu Gewinnung von elementarem Co unterworfen werden.In one embodiment of the present invention, the organic phase of the preceding extraction step is treated with hydrochloric acid and back-extracted, after which Co is deposited in an elementary form from the back-extracted solution. For example, a 1 molar hydrochloric acid solution in a volume ratio of approximately 1: 2, based on the organic phase to the hydrochloric acid solution, can be added to the organic phase of the previous extraction. An extraction is carried out, after which the aqueous, hydrochloric acid phase contains Co. This aqueous solution containing hydrochloric acid Co obtained in this way can then be subjected directly to an electrochemical deposition to obtain elemental Co.
In einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird das zu recycelnde feste Batteriematerial vor Schritt a) vorbehandelt durch mindestens einen der folgenden Schritte:
- i) Zerkleinern des festen Batteriematerials,
- ii) thermische Behandlung, gegebenenfalls unter Zuführung von Sauerstoff,
- iii) Entfernung von organischen Bestandteilen, und/oder
- iv) Abtrennung von unlöslichem Graphit.
- i) crushing the solid battery material,
- ii) thermal treatment, if appropriate with the addition of oxygen,
- iii) removal of organic components, and / or
- iv) separation of insoluble graphite.
Die genannten Vorbehandlungsschritte dienen einzeln oder in Kombination der Erhöhung der Effizienz des Verfahrens und stellen sicher, dass eine optimale Lösung der werthaltigen Bestandteile erfolgen kann.The pretreatment steps mentioned serve individually or in combination to increase the efficiency of the process and ensure that an optimal solution of the valuable components can be achieved.
Zum Beispiel kann das feste zu recycelnde Batteriematerial in einer ersten Vorbehandlung zerkleinert werden. Dies kann durch geeignete, dem Fachmann allgemein bekannte Verfahren erfolgen. Insbesondere können so Partikel mit einer durchschnittlichen Größe von ungefähr 500 µm erhalten werden.For example, the solid battery material to be recycled can be crushed in a first pretreatment. This can be done by suitable methods generally known to the person skilled in the art. In particular, particles with an average size of approximately 500 μm can be obtained in this way.
Weiterhin kann das gegebenenfalls zerkleinerte Material thermisch vorbehandelt werden. Zum Beispiel kann ein Kalzinationsschritt in einem Ofen bei ca. 500°C-650°C, insbesondere bei 560°C, durchgeführt werden. Die Kalzination kann durch den Zusatz von Sauerstoff unterstütz werden. Unter anderem durch eine thermische Behandlung ist es möglich, organische Bestandteile aus dem Material zu entfernen. Die Kalzination läuft vorteilhafterweise exotherm ab, so dass nur ein geringer Energieeinsatz hierfür notwendig ist.Furthermore, the material which may have been comminuted can be pretreated thermally. For example, a calcination step can be carried out in an oven at about 500 ° C-650 ° C, especially at 560 ° C. The calcination can be supported by the addition of oxygen. It is possible, among other things, to remove organic components from the material by means of thermal treatment. The calcination is advantageously exothermic, so that only a small amount of energy is required for this.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Recyclingverfahren gekennzeichnet durch die Schritte:
- 1) Zerkleinern des festen Batteriematerials,
- 2) thermische Behandlung unter Zuführung von Sauerstoff,
- 3) Entfernung von organischen Bestandteilen,
- 4) Erzeugung einer Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan (Li, Co, Ni, Mn) enthaltenden wässrigen Lösung ausgehend von zu recycelndem festen Batteriematerial durch Zugabe einer wässrigen Säure zu dem festen Batteriematerial,
- 5) Abtrennung von unlöslichem Graphit,
- 6) Fällung der Übergangsmetalle Ni, Co, Mn aus der Lösung des Schritts
5 ) durch Zusatz von Schwefelwasserstoff, - 7) Abtrennung des Fällungsniederschlags, optional Waschen des Fällungsniederschlags,
- 8) Gewinnung von Lithiumcarbonat aus der flüssigen Phase und den optionalen Waschlösungen durch Zugabe von Kaliumcarbonat oder Natriumcarbonat bei einem basischen pH-Wert und erhöhter Temperatur, insbesondere bei 85°C-100°C,
- 9) Lösen der MnS-Salze durch Aufnahme der festen Fällungsrückstände in Essigsäurelösung,
- 10) elektrochemische Abscheidung von elementarem Mangan aus der Essigsäurelösung aus Schritt
9 ) unter Zusatz von Salzsäurelösung, - 11) Lösen der Ni und/oder Co Rückstände nach Abtrennung der Mn-Essigsäurelösung in einer Essigsäure/Wasserstoffperoxidlösung,
- 12) Zugabe von EHPNA/Toluol- und Ammoiniumhydroxidlösung zur Lösung aus Schritt
11 ), - 13) Extraktion und Trennung der wässrigen Phase, welche Ni enthält, von der organischen Phase, welche Co enthält.
- 14) elektrochemische Abscheidung von elementarem Nickel aus der wässrigen Extraktionsphase aus Schritt
13 ) unter Zusatz von Salzsäure, - 15) Rückextraktion des Co-Anteils aus der organischen Phase aus Schritt
13 ) durch Zugabe von verdünnter Salzsäurelösung, - 16) elektrochemische Abscheidung von elementarem Kobalt aus der wässrigen Phase aus Schritt
15 ), und - 17) optional Wiederverwendung der organischen Phase aus Schritt
15 ) in Schritt12 ).
- 1) shredding the solid battery material,
- 2) thermal treatment with the addition of oxygen,
- 3) removal of organic components,
- 4) generation of an aqueous solution containing lithium, cobalt, nickel and manganese (Li, Co, Ni, Mn) starting from solid battery material to be recycled by adding an aqueous acid to the solid battery material,
- 5) separation of insoluble graphite,
- 6) Precipitation of the transition metals Ni, Co, Mn from the solution of the step
5 ) by adding hydrogen sulfide, - 7) separation of the precipitation, optional washing of the precipitation,
- 8) Obtaining lithium carbonate from the liquid phase and the optional washing solutions by adding potassium carbonate or sodium carbonate at a basic pH and elevated temperature, in particular at 85 ° C.-100 ° C.,
- 9) dissolving the MnS salts by taking up the solid precipitation residues in acetic acid solution,
- 10) electrochemical deposition of elemental manganese from the acetic acid solution from step
9 ) with the addition of hydrochloric acid solution, - 11) dissolving the Ni and / or Co residues after separating the Mn-acetic acid solution in an acetic acid / hydrogen peroxide solution,
- 12) Add EHPNA / toluene and ammonium hydroxide solution to the solution from step
11 ) - 13) Extraction and separation of the aqueous phase, which contains Ni, from the organic phase, which contains Co.
- 14) Electrochemical deposition of elemental nickel from the aqueous extraction phase from step
13 ) with the addition of hydrochloric acid, - 15) Back extraction of the Co portion from the organic phase from step
13 ) by adding dilute hydrochloric acid solution, - 16) Electrochemical deposition of elemental cobalt from the aqueous phase from step
15 ), and - 17) optional reuse of the organic phase from step
15 ) in step12 ).
In Bezug auf die möglichen und bevorzugten weiteren Details der Schritte
Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, das Recyclingverfahren auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden darf eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:
-
1 in einem stark schematisierten Fließschema ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer bevorzugten Ausgestaltung.
-
1 a method according to the invention in a preferred embodiment in a highly schematic flow diagram.
(I)(I)
Dabei wird die Mischung aus Kathodenmaterial wie LCO, LMO und/oder NMC, organischen Bestandteilen und Graphit (
(II)(II)
Anschließend wir die Mischung aus Kathodenmaterial und Graphit (
(III)(III)
Folgend werden die Übergangsmetalle Nickel, Kobalt und Mangan (
(IV) (IV)
Die Lösung (
(V)(V)
Die Sulfide werden nach dem Abtrennen von der Lösung schrittweise wieder gelöst. Zunächst wird das Sulfid von Mangan (
(VI)(VI)
Der nickel- und kobalthaltige Rückstand (
(VII)(VII)
Anschließend wird die Lösung mit 20 % EHPNA in Toluol (
Die rückextrahierte Lösung wird zur Gewinnung von Kobalt galvanostatisch abgeschieden (
The back-extracted solution is galvanostatically deposited to obtain cobalt (
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- US 2007/0196725 A1 [0005]US 2007/0196725 A1 [0005]
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