FR3121150A1 - Recovery of shredded electric vehicle batteries - Google Patents
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Abstract
Procédé pyro-métallurgique de recyclage du broyat des déchets de production de batteries neuves et défectueuses ou usagées de véhicules électriques ou de batteries portables type Li-ions. Figure pour l’abrégé : FIGURE 5Pyro-metallurgical process for recycling shredded waste from the production of new and defective or used batteries from electric vehicles or portable Li-ion type batteries. Figure for abstract: FIGURE 5
Description
Les batteries des véhicules électriques ou portables du type Li-ions comprennent des éléments de valeur qu’il est important de bien recycler, le Cuivre Cu, l’Aluminium Al (2 métaux présents sous forme métallique), le Nickel Ni, le Cobalt Co, le Manganèse Mn et bien sûr le Lithium – ces derniers sous forme d’oxydes combinés.The batteries of electric or portable vehicles of the Li-ion type include valuable elements that it is important to properly recycle, Copper Cu, Aluminum Al (2 metals present in metallic form), Nickel Ni, Cobalt Co , Manganese Mn and of course Lithium – the latter in the form of combined oxides.
Dans toutes les filières connues, le recyclage de ces batteries – qu’il s’agisse de rebuts ou déchets de production de batteries neuves, de batteries usagées ou de batteries neuves défectueuses - passe par une étape de broyage (broyeur du type shredder), qui sépare dans de bonnes proportions le Cuivre et l’Aluminium (métaux), et produit une « Black Mass » rassemblant les autres métaux ainsi qu’une proportion importante de carbone, sous forme élémentaire (C fixe) ou combinée, dans des plastiques et huiles assimilés à des hydrocarbures.In all known sectors, the recycling of these batteries - whether they are scrap or waste from the production of new batteries, used batteries or defective new batteries - goes through a grinding stage (shredder-type grinder), which separates Copper and Aluminum (metals) in good proportions, and produces a "Black Mass" bringing together the other metals as well as a significant proportion of carbon, in elemental (fixed C) or combined form, in plastics and oils assimilated to hydrocarbons.
Il est précisé que lors de la production de batteries neuves, des déchets sont produits tels des déchets de découpe des bobines d’anodes et de cathodes, des rebuts d’anodes et de cathodes, des assemblages d’anodes et de cathodes défectueux dénommés faisceaux, des assemblages défectueux d’anodes et de cathodes mis en pochette sans solvant dénommés cellule sèche et des pochettes défectueuses avec solvants. A titre d’exemple, il est joint un synoptique de production des déchets en fabrication de batteries neuves.It is specified that during the production of new batteries, waste is produced such as waste from the cutting of anode and cathode coils, scrap anodes and cathodes, assemblies of defective anodes and cathodes called bundles , defective assemblies of anodes and cathodes put in a bag without solvent called dry cell and defective bags with solvents. By way of example, a synoptic of the production of waste in the manufacture of new batteries is attached.
Plusieurs solutions sont proposées et testées actuellement pour valoriser cette Black Mass, le plus souvent par voie hydro-métallurgique – et en plusieurs étapes.Several solutions are currently proposed and tested to valorize this Black Mass, most often by hydro-metallurgical means – and in several stages.
On propose dans ce document une solution de valorisation pyro-métallurgique passant par 3 étapes :
- Une agglomération de la Black Mass (boulettage, briquetage, ou extrusion) – avec ajout de minerai de fer et d’un liant approprié
- Une fusion carburante dans un convertisseur tournant (ou un autre type de convertisseur équipé d’un dispositif de brassage), permettant de séparer le Lithium dans un laitier à 40-50% Li2O, facilement valorisable dans les filières actuelles d’élaboration de ce métal
- Un affinage oxydant dans le même convertisseur, ou dans un 2ème convertisseur spécialisé, conduisant à un alliage du type FeNiCo contenant au moins 50% (Ni+Co), utilisable dans l’élaboration d’aciers à haute résistance (notamment des aciers utilisés dans l’aéronautique), et un laitier riche en Manganèse, en Fer et en chaux, qui constitue une excellente matière première pour les fours d’élaboration du Ferro-Manganèse.This document proposes a pyro-metallurgical recovery solution that goes through 3 stages:
- Black Mass agglomeration (pelletizing, briquetting, or extrusion) – with addition of iron ore and a suitable binder
- A carburizing fusion in a rotating converter (or another type of converter equipped with a stirring device), allowing the separation of the Lithium in a slag at 40-50% Li2O, easily recoverable in the current production channels for this metal
- Oxidizing refining in the same converter, or in a second specialized converter, leading to an alloy of the FeNiCo type containing at least 50% (Ni+Co), which can be used in the production of high-strength steels (in particular steels used in aeronautics), and a slag rich in manganese, iron and lime, which constitutes an excellent raw material for furnaces for the production of Ferro-Manganese.
Table des matières
1. Problème à résoudre......................................................................................................3
1.1 Constitution des batteries de véhicules électriques ....................................................3
1.2 Filière de valorisation – Objectif du procédé proposé................................................6
1.3 Etat de la technique.....................................................................................................7
1.4 Principe du procédé proposé.......................................................................................9
2. Exemple ......................................................................................................................11
2.1. Composition du mix « Black Mass + Minerai Fe »..................................................11
2.2. Bilans matières .........................................................................................................11
2.2.1. Fusion ....................................................................................................................11
2.2.2. Affinage .................................................................................................................12
2.3. Débouchés valorisants ..............................................................................................12
2.4. Cas d’une Black Mass à bas Phosphore ...................................................................13
3. Résumé.........................................................................................................................15Contents
1. Problem to be solved .............................. .................................................. .......3
1.1 Composition of electric vehicle batteries ...................................................... .........3
1.2 Recycling sector – Objective of the proposed process ............................................... .......6
1.3 State of the art .............................................. .................................................. ......7
1.4 Principle of the proposed process ............................................... ..........................................9
2. Example ............................................... .................................................. .....................11
2.1. Composition of the “Black Mass + Fe Ore” mix......................................... ..........11
2.2. Material balances ................................................ .................................................. .......11
2.2.1. Amalgamation ................................................ .................................................. .................11
2.2.2. Refining ................................................ .................................................. ..............12
2.3. Valuable opportunities .................................................. ..............................................12
2.4. Case of a Low Phosphorus Black Mass .............................................. ...........................13
3. Summary........................................... .................................................. ........................15
1. Problème à résoudre1. Problem to solve
1.1 Constitution des batteries de véhicules électriques1.1 Constitution of electric vehicle batteries
Les batteries de véhicules électriques sont de 2 types :
- Les batteries du type NiMH (Nickel Metal Hydrures)
- Les batteries du type Li-ionsElectric vehicle batteries are of 2 types:
- NiMH (Nickel Metal Hydride) type batteries
- Li-ion type batteries
C’est ce dernier type qui tend à s’imposer actuellement. La possibilité et l’efficacité du recyclage des batteries Li-ions constituent un enjeu majeur dans le développement des véhicules électriques ou des applications portables (téléphonie, ordinateurs, vélos électriques…etc ).It is this last type which tends to impose itself nowadays. The possibility and efficiency of recycling Li-ion batteries is a major challenge in the development of electric vehicles or portable applications (telephony, computers, electric bicycles, etc.).
Le recyclage des batteries Li-ion donne lieu à des développements importants chez les fabricants de ces batteries, et des alliances multiples se sont constituées récemment dans cet objectif.The recycling of Li-ion batteries is giving rise to significant developments among the manufacturers of these batteries, and multiple alliances have recently been formed for this purpose.
On propose dans ce qui suit une solution associant un broyage et un procédé pyrométallurgique pour le recyclage complet de ces batteries Li-ion.We propose in what follows a solution combining grinding and a pyrometallurgical process for the complete recycling of these Li-ion batteries.
Le principe et la constitution exacte de ces batteries Li-ion sont largement décrites par ailleurs, on se contentera de rappeler l’envergure de ces batteries, qui pèsent de quelques grammes ( type boutons ) à plusieurs centaines de kg, comme suggéré sur la
[Tableau 1] Composition – type d’une batterie Li-ion
Le cœur actif de la batterie (cathode / anode / électrolyte) est composé principalement d’oxydes et/ou de phosphates du type LiNiO2, LiCoO2, LiMnO2, LiFePO4, de graphite et du fluorure LiPF6 pour l’électrolyte, dissous dans un solvant organique.The active core of the battery (cathode / anode / electrolyte) is mainly composed of oxides and/or phosphates such as LiNiO2, LiCoO2, LiMnO2, LiFePO4, graphite and fluoride LiPF6 for the electrolyte, dissolved in an organic solvent .
Plus précisément, la production de batteries neuves s’accompagne de la production de plusieurs niveaux de déchets ou rebuts, tels que des déchets de découpe des bobines d’anodes et de cathodes, des rebuts d’anodes et de cathodes, des assemblages d’anodes et de cathodes défectueux dénommés faisceaux, des assemblages défectueux d’anodes et de cathodes mis en pochette sans solvant dénommés cellule sèche et des pochettes défectueuses avec solvants.More specifically, the production of new batteries is accompanied by the production of several levels of waste or scrap, such as waste from the cutting of anode and cathode coils, scrap anode and cathode, assemblies of defective anodes and cathodes referred to as bundles, defective anode and cathode assemblies packaged without solvent referred to as dry cell and defective pouches with solvents.
A titre d’exemple, le tableau 2 ci-après présente un synoptique de production de ces déchets en fabrication de batteries neuves, à différents stades.By way of example, Table 2 below presents a synoptic of the production of this waste in the manufacture of new batteries, at different stages.
[Tableau 2] Synoptique de la production de déchets dans la fabrication de batteries Li-ion
On note les présences potentiellement importantes de Phosphore P, polluant de l’acier, et du Fluor F, source de corrosion des réfractaires et des aciers constitutifs de l’installation de traitement.We note the potentially significant presence of Phosphorus P, a steel pollutant, and of Fluorine F, a source of corrosion of the refractories and steels making up the treatment installation.
1.2 Filière de valorisation – Objectif du procédé proposé1.2 Recovery sector – Objective of the proposed process
Le recyclage des batteries Li-ions de grande taille passe très majoritairement par un broyage complet (
Ce broyage et les outils de séparation qui suivent permettent de séparer efficacement les métaux présents sous forme métallique – Al, Cu et Fe (acier). Le restant est broyé et / ou récupéré sous forme d’une masse boueuse, constituée de fines de moins de 2 mm, et d’un liquide organique, masse appelée « Black Mass »This grinding and subsequent separation tools effectively separate the metals present in metallic form – Al, Cu and Fe (steel). The remainder is crushed and/or recovered in the form of a muddy mass, made up of fines of less than 2 mm, and an organic liquid, mass called “Black Mass”
L’objectif d’un recyclage complet est de valoriser sous des formes utilisables
l’ensemble des éléments de valeur, sous des formes utilisables. Cet objectif peut être atteint par différents types de procédés – hydro-métallurgiques ou pyro-métallurgiques. L’ensemble de la filière est schématisé à la
all elements of value, in usable forms. This objective can be achieved by different types of processes – hydro-metallurgical or pyro-metallurgical. The whole of the sector is schematized in the
1.3 Etat de la technique1.3 State of the art
A l’heure actuelle, il semble que la plupart des sociétés ou groupements qui se sont lancés dans le recyclage des batteries Li-ion, expérimentent ou s’orientent vers un schéma tel que présenté à la
Cette filière est présentée à titre d’exemple sur le schéma de la
publié par Volkswagen.This sector is presented as an example on the diagram of the
published by Volkswagen.
Un exemple d’analyse d’une Black Mass est donné au tableau 3 ci-après.An example of a Black Mass analysis is given in Table 3 below.
Analyse Black Mass (% masse, sur sec)Black Mass analysis (% mass, dry)
Il convient de remarquer que :
- Cette analyse est représentative d’un « mix » de batteries de provenances diverses, et contenant donc des composés actifs divers, et en particulier une part importante de batteries à composé actif contenant du Phosphore P (p.ex. LiFePO4)
- Si l’on part de batteries usagées d’un même type exempt de Phosphore ou à basse teneur en P, en particulier si l’on recycle sur une installation des lots de batteries neuves défectueuses sans P, la teneur P sera très basse ou nulle.
- Il subsiste des teneurs résiduelles encore notables de Cuivre Cu et Aluminium Al, présents sous forme métallique, et donc incomplètement éliminées dans l’étape de broyage et séparation consécutive
- La teneur élevée de Phosphore devra être éliminée le mieux possible du métal à valoriser.It should be noted that:
- This analysis is representative of a "mix" of batteries from various sources, and therefore containing various active compounds, and in particular a large proportion of batteries with an active compound containing Phosphorus P (e.g. LiFePO4)
- If one starts from used batteries of the same type free of Phosphorus or with a low P content, in particular if batches of defective new batteries without P are recycled on an installation, the P content will be very low or nothing.
- There are still significant residual contents of Copper Cu and Aluminum Al, present in metallic form, and therefore incompletely eliminated in the grinding and subsequent separation step
- The high phosphorus content must be eliminated as best as possible from the metal to be recovered.
On ne fera pas ici une comparaison des filières proposées, mais on peut dire simplement que dans ce cas les procédés hydro-métallurgiques présentent a priori des handicaps lourds par rapport à un procédé pyro-métallurgique
- Ils exigent un grand nombre d’étapes (au moins autant que les métaux à séparer) ;
- ils sont très gros consommateurs de réactifs chimiques dangereux pour l’homme et l’environnement et coûteux ;
- ils conduiront à davantage de déchets ultimes (solutions acides polluées) à neutraliser et à mettre en stockage.We will not make here a comparison of the sectors proposed, but we can simply say that in this case the hydro-metallurgical processes present a priori heavy handicaps compared to a pyro-metallurgical process.
- They require a large number of steps (at least as many as the metals to be separated);
- they are very large consumers of chemical reagents that are dangerous for humans and the environment and expensive;
- they will lead to more ultimate waste (polluted acid solutions) to be neutralized and placed in storage.
Ceci à condition qu’une solution pyro-métallurgique puisse réaliser l’objectif d’extraire tous les métaux de valeur sous une forme utilisable.This is provided that a pyro-metallurgical solution can achieve the goal of extracting all valuable metals into a usable form.
1.4 Principe du procédé proposé1.4 Principle of the proposed process
Le procédé proposé comprend 3 étapes :
- Une agglomération de la Black Mass (boulettage, briquetage, ou extrusion) – avec un liant approprié
- Une fusion carburante-réductrice dans un convertisseur tournant (dit TBRC, Top Blown Rotary Converter) ou éventuellement dans un convertisseur fixe dont le bain est agité par un autre moyen, notamment par une injection de gaz dans le fond du réacteur
- Un affinage oxydant dans le même convertisseur, ou dans un 2ème convertisseur spécialisé
Le procédé est schématisé à la
- An agglomeration of the Black Mass (pelletizing, briquetting, or extrusion) – with an appropriate binder
- A fuel-reducing fusion in a rotating converter (known as TBRC, Top Blown Rotary Converter) or possibly in a fixed converter whose bath is agitated by another means, in particular by injecting gas into the bottom of the reactor
- An oxidative refining in the same converter, or in a 2nd specialized converter
The process is schematized in
Le principe du procédé, et les objectifs de chaque étape, peuvent être résumés comme suit :
1) L’agglomération de la Black Mass avec un liant et éventuellement un ajout d’une source de fer (voir plus loin) vise à obtenir un produit suffisamment résistant pour être stocké en vrac puis en trémie, et pour être chargé en continu dans le convertisseur par un convoyeur
2) La fusion carburante-réductrice doit permettre, en utilisant le carbone contenu de la Black Mass, de « réduire » les oxydes des métaux réductibles (Ni, Cu, Co, Fe, Mn), et de les récupérer avec un bon rendement dans un alliage métallique carburé, dit FeNiCoMnC ; dans cette étape, on vise à séparer le Lithium dans un laitier riche en Li (~50%Li) et par ailleurs de désulfurer et de déphosphorer partiellement le métal obtenu. L’apport d’énergie nécessaire pour ces réactions de réduction très endothermiques est fourni principalement par la combustion du gaz CO issu des réactions de réduction des oxydes, et par la combustion du Carbone excédentaire (sous forme de C fixe et d’hydrocarbures HC) par une injectiond’oxygène; suivant la composition de la Black Mass, un apport énergétique complémentaire peut être nécessaire, par un brûleur gaz-oxygène.
3) Un affinage oxydant par injection d’oxygène permet ensuite d’extraire de l’alliage FeNiCoMnC, le Manganèse, le Carbone, et une grande partie du Phosphore, afin d’obtenir, d’une part, un alliage FeNiCo utilisable dans la fabrication de certains aciers hautement alliés, et d’autre part, un laitier riche en Manganèse et en chaux, utilisable dans la fabrication du FerroManganèse.
Dans cette étape, la présence de fer en proportion importante permet de « protéger » les métaux de plus grande valeur (Ni et Co) L’alliage est coulé soit en poche, soit en lingotins sur une machine à lingoter – comme présenté à la
1) The agglomeration of the Black Mass with a binder and possibly an addition of an iron source (see later) aims to obtain a product sufficiently resistant to be stored in bulk then in the hopper, and to be loaded continuously into the converter by a conveyor
2) The carburizing-reducing fusion must make it possible, by using the carbon contained in the Black Mass, to "reduce" the oxides of the reducible metals (Ni, Cu, Co, Fe, Mn), and to recover them with a good yield in a carburized metal alloy, called FeNiCoMnC; in this step, the aim is to separate the lithium in a slag rich in Li (~50% Li) and also to desulfurize and partially dephosphorize the metal obtained. The energy input necessary for these very endothermic reduction reactions is provided mainly by the combustion of the CO gas resulting from the oxide reduction reactions, and by the combustion of the excess carbon (in the form of fixed C and HC hydrocarbons) by an injection of oxygen; depending on the composition of the Black Mass, an additional energy supply may be necessary, by a gas-oxygen burner.
3) An oxidizing refining by injection of oxygen then makes it possible to extract from the FeNiCoMnC alloy, the Manganese, the Carbon, and a large part of the Phosphorus, in order to obtain, on the one hand, a FeNiCo alloy usable in the manufacture of certain high-alloy steels, and on the other hand, a slag rich in Manganese and lime, which can be used in the manufacture of FerroManganese.
In this step, the presence of iron in a large proportion makes it possible to “protect” the metals of greater value (Ni and Co) The alloy is cast either in a ladle or in ingots on an ingot machine – as presented in
2. Exemple2. Example
2.1. Composition du mix « Black Mass + Minerai Fe2.1. Composition of the mix “Black Mass + Mineral Fe
A la Black Mass de composition donnée au tableau 2 on ajoute du minerai de fer standard à 94% d’oxyde de fer Fe2O3, dans la proportion 1 t BM + 0,5 t minerai Fe. Il en résulte un mélange (‘mix ») de la composition présentée au tableau 4 ci-dessous.To the Black Mass of composition given in Table 2, standard iron ore containing 94% iron oxide Fe2O3 is added, in the proportion 1 t BM + 0.5 t Fe ore. A mixture results. ) of the composition shown in Table 4 below.
[Tableau 4] Composition du mix Black Mass + Minerai Fe
2.2. Bilans matières2.2. Material balances
2.2.1. Fusion2.2.1. Merger
L’étape de fusion est réalisée dans le convertisseur, suivant le bilan matières présenté au tableau 5 ci-après.The melting stage is carried out in the converter, according to the material balance presented in Table 5 below.
[Tableau 5] Bilan matière de la fusion
La fusion donne donc, pour 1 t de Black Mass,
451 kg d’alliage FeNiCoMnC, avec la composition indiquée au tableau 4 ; on constate une teneur acceptable en S (0,1%), mais la teneur en P (0,56%) est beaucoup trop élevée pour un usage comme matière première d’alliage On note dans la colonne de droite les rendements des métaux récupérés dans l’alliage carburé.
150 kg de laitier riche en Li (42%Li2O) ; dans ce cas le rendement est pris forfaitairement à 1, sachant qu’avec le recyclage de la poussière tout le Li sera finalement récupéré dans le laitier
13 kg de poussières récupérées dans la ligne de traitement des gaz par filtration , qui seront recyclées dans le mélange d’entrée pour être agglomérées.The fusion therefore gives, for 1 t of Black Mass,
451 kg of FeNiCoMnC alloy, with the composition indicated in Table 4; an acceptable S content (0.1%) is observed, but the P content (0.56%) is much too high for use as an alloy raw material. in the carburized alloy.
150 kg of slag rich in Li (42% Li2O); in this case the yield is taken as a flat rate of 1, knowing that with the recycling of the dust all the Li will finally be recovered in the slag
13 kg of dust recovered in the gas treatment line by filtration, which will be recycled in the input mixture to be agglomerated.
2.2.2. Affinage2.2.2. Refining
L’étape d’affinage consiste à extraire le Manganèse, métal facilement oxydable, par injection d’oxygène, en même temps qu’on éliminera le Carbone, une grande partie du Phosphore, et une partie du Fer. Un bilan de cette étape d’affinage est présenté au tableau 6.The refining step consists in extracting the Manganese, an easily oxidizable metal, by injecting oxygen, at the same time as the Carbon, a large part of the Phosphorus, and a part of the Iron will be eliminated. A summary of this refining step is presented in Table 6.
Au plan énergétique, toutes ces réactions d’oxydation sont largement exothermiques, et feront plus que couvrir les pertes du réacteur.
[Tableau 6] Bilan matière de l’affinage
[Table 6] Material balance of refining
L’affinage donne donc, pour 1 t de Black Mass,
312 kg d’alliage FeNiCo avec la composition indiquée au tableau 5 ; on constate des teneurs acceptables en S (0,069%) et en P (0,081%)
On note dans la colonne de droite les rendements des métaux récupérés dans l’alliage FeNiCo – en distinguant le rendement lors de l’affinage, et le rendement global de l’élément, en partant de la Black Mass.
257 kg de laitier riche en Mn, en Fe et en chaux
14 kg de poussière dont la composition est proche de celle du laitier, auquel elles peuvent être incorporées avant coulée.The refining therefore gives, for 1 t of Black Mass,
312 kg of FeNiCo alloy with the composition indicated in Table 5; there are acceptable contents of S (0.069%) and P (0.081%)
We note in the right column the yields of the metals recovered in the FeNiCo alloy – distinguishing the yield during refining, and the overall yield of the element, starting from the Black Mass.
257 kg of slag rich in Mn, Fe and lime
14 kg of dust whose composition is close to that of slag, to which they can be incorporated before pouring.
2.3. Débouchés valorisants2.3. Rewarding opportunities
Les 3 produits obtenus ont des débouchés assurés, et on peut en préciser les emplois :
- L’alliage FeNiCo à 49%Fe, 35%Ni, 14%Co pourra être avantageusement utilisé dans l’élaboration des aciers hautement alliés du type Maraging, utilisés dans l’aviation, et qui contiennent typiquement 17~19%Ni, 8~12%Co. Il pourra donc remplacer des apports de Ni et de Co sous forme de ferroalliages.
- Le laitier riche en Li2O (40 à 50% suivant la teneur de la Black Mass) constitue un minerais de Li très riche facilement incorporable dans la filière d’extraction et de production de Li par voie hydrométallurgique.
- Le laitier FeO-MnO-CaO contenant ~27%MnO (~21%Mn) constituera une matière première de choix pour les fours de réduction carbothermiques fabricant le ferromanganèse. Dans ces fours, 40%Mn, mais on y ajoute de grandes quantités de chaux CaO, car une basicité élevée du laitier obtenu favorise le rendement Manganèse. Le laitier FeO-MnOCaO issu de la valorisation de la Black Mass remplacera donc à la fois un minerai de Manganèse, un ajout de chaux CaO, et un ajout de Fer.The 3 products obtained have guaranteed outlets, and the uses can be specified:
- The FeNiCo alloy at 49%Fe, 35%Ni, 14%Co can be advantageously used in the production of high-alloy steels of the Maraging type, used in aviation, and which typically contain 17~19%Ni, 8 ~12% Co. It can therefore replace Ni and Co inputs in the form of ferroalloys.
- The slag rich in Li2O (40 to 50% depending on the content of the Black Mass) constitutes a very rich Li ore that can easily be incorporated into the extraction and production of Li by hydrometallurgy.
- FeO-MnO-CaO slag containing ~27%MnO (~21%Mn) will be a raw material of choice for carbothermic reduction furnaces producing ferromanganese. In these furnaces, 40% Mn, but large quantities of CaO lime are added thereto, because a high basicity of the slag obtained favors the Manganese yield. The FeO-MnOCaO slag resulting from the upgrading of the Black Mass will therefore replace both a Manganese ore, an addition of CaO lime, and an addition of Iron.
2.4. Cas d’une Black Mass à bas Phosphore2.4. Case of a Low Phosphorus Black Mass
Une Black Mass exempte de Phosphore, ou à bas Phosphore, a une composition-type voisine, dont un exemple est donné au tableau 7 ci-après.A Phosphorus-free or low-Phosphorus Black Mass has a similar typical composition, an example of which is given in Table 7 below.
La teneur en Phosphore est ici 10 fois moins élevée que dans la black-mass standard.The phosphorus content here is 10 times lower than in standard black-mass.
[Tableau 7] Composition-type d’une black-mass à bas Phosphore
Une filière utilisable est bien sûr la filière décrite pour la black-mass à haut Phosphore, comportant 2 étapes (fusion et affinage) et donnant in fine un alliage FeNiCo à bas Phosphore utilisable dans l »élaboration des aciers hautement alliés à fortes teneurs en Ni e Co.A usable die is of course the die described for high phosphorus black-mass, comprising 2 stages (melting and refining) and ultimately giving a low phosphorus FeNiCo alloy usable in the production of high-alloy steels with high Ni contents. and Co.
Les bilans de cette filière sont rassemblés au tableau 8 ci-après.The results of this sector are collated in Table 8 below.
[Tableau 8] Bilans fusion et affinage pour la Black Mass bas Phosphore
Cependant Il apparait que l’élément - poison principal pour le recyclage des métaux de grande valeur (Ni et Co), à savoir le Phosphore, est dans ce cas bien éliminé dès l’étape de fusion, où il est abaissé à moins de 0,1%P dans le ferroalliage FeNiCoMnC.However, it appears that the main poison element for the recycling of high-value metals (Ni and Co), namely Phosphorus, is in this case well eliminated from the smelting stage, where it is lowered to less than 0 .1%P in the FeNiCoMnC ferroalloy.
Certes les alliages FeNiCo du type « Maraging » présentent dans leur analyse standard des teneurs Mn et C faibles (souvent inférieures à 0,2% chacun). Cependant des possibilités d’utilisation directe du ferroalliage FeNiCoMnC peuvent exister, soit en les introduisant dans une phase préliminaire de l’élaboration (où Mn et C seront éliminés), soit pour des versions dérivées de ces types de ferroalliage, tolérant des teneurs plus élevées de Mn et C.Admittedly, the FeNiCo alloys of the "Maraging" type present in their standard analysis low Mn and C contents (often less than 0.2% each). However, possibilities of direct use of the FeNiCoMnC ferroalloy may exist, either by introducing them in a preliminary phase of the development (where Mn and C will be eliminated), or for versions derived from these types of ferroalloy, tolerating higher contents. of Mn and C.
3. Résumé3. Summary
Les batteries du type Li-ion comprennent comme éléments de valeur qu’il est crucial de bien recycler, le Cuivre Cu, l’Aluminium Al (2 métaux présents sous forme métallique), le Nickel Ni, le Cobalt Co, le Manganèse Mn et bien sûr le Lithium – ces derniers sous forme d’oxydes combinés.Li-ion type batteries include as valuable elements that it is crucial to properly recycle, Copper Cu, Aluminum Al (2 metals present in metallic form), Nickel Ni, Cobalt Co, Manganese Mn and of course Lithium – the latter in the form of combined oxides.
Dans toutes les filières connues, le recyclage de ces batteries – qu’il s’agisse des déchets de production de batteries usagées ou de batteries neuves défectueuses - passe par une étape de broyage (broyeur du type shredder), qui sépare dans de bonnes proportions le Cuivre et l’Aluminium (métaux), et produit une « Black Mass » rassemblant les autres métaux, ainsi qu’une proportion importante de carbone, sous forme élémentaire (C fixe) ou combinée, dans des plastiques et huiles assimilés à des hydrocarbures.In all the known sectors, the recycling of these batteries - whether waste from the production of used batteries or defective new batteries - goes through a grinding stage (shredder-type grinder), which separates in good proportions Copper and Aluminum (metals), and produces a "Black Mass" bringing together the other metals, as well as a large proportion of carbon, in elemental (fixed C) or combined form, in plastics and oils assimilated to hydrocarbons .
Plusieurs solutions sont proposées et testées actuellement pour valoriser cette Black Mass, le plus souvent par voie hydro-métallurgique – et en plusieurs étapes.Several solutions are currently proposed and tested to valorize this Black Mass, most often by hydro-metallurgical means – and in several stages.
On propose dans ce document une solution de valorisation pyro-métallurgique passant par 3 étapes :
- Une agglomération de la Black Mass (boulettage, briquetage, ou extrusion) – avec ajout de minerai de fer et d’un liant approprié
- Une fusion carburante-réductrice dans un convertisseur tournant (ou un autre type de convertisseur muni d’un dispositif de brassage), permettant de séparer le Lithium dans un laitier à 40-50% Li2O, très valorisable dans les filières actuelles d’élaboration de ce métal
- Un affinage oxydant dans le même convertisseur, ou dans un 2ème convertisseur spécialisé, conduisant à un alliage du type FeNiCo contenant environ 50% (Ni+Co), utilisable dans l’élaboration d’aciers à haute résistance (notamment des aciers utilisés dans l’aéronautique), et un laitier riche en Manganèse, en Fer et en chaux, qui constitue une excellente matière première pour les fours d’élaboration du Ferro-Manganèse.This document proposes a pyro-metallurgical recovery solution that goes through 3 stages:
- Black Mass agglomeration (pelletizing, briquetting, or extrusion) – with addition of iron ore and a suitable binder
- A carburizing-reducing fusion in a rotating converter (or another type of converter equipped with a stirring device), allowing the separation of the Lithium in a slag at 40-50% Li2O, very recoverable in the current elaboration sectors of this metal
- Oxidizing refining in the same converter, or in a second specialized converter, leading to an alloy of the FeNiCo type containing approximately 50% (Ni+Co), which can be used in the production of high-strength steels (in particular steels used in aeronautics), and a slag rich in manganese, iron and lime, which constitutes an excellent raw material for furnaces for the production of Ferro-Manganese.
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