btpsБезопасность техногенных и природных системSafety of Technogenic and Natural Systems2541-9129Don State Technical University10.23947/2541-9129-2024-8-4-7-15WMZISPbtps-411Research ArticleТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬTECHNOSPHERE SAFETYСпособ утилизации литий-ионных аккумуляторов с извлечением ценных компонентовMethod for Recycling Lithium-Ion Batteries with the Extraction of Valuable Componentshttps://orcid.org/0000-0003-0016-3005МельниковаА. С.MelnikovaA. S.

Анна Сергеевна Мельникова, аспирант кафедры безопасности производства и промышленной экологии

450076, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32

ScopusID  

Anna S. Melnikova, Postgraduate Student of the Industrial Safety and Industrial Ecology Department

ScopusID

annamel7@mail.ruКострюковаН. В.KostryukovaN. V.

Наталья Викторовна Кострюкова, кандидат химических наук, доцент кафедры безопасности производства и промышленной экологии

450076, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32

ScopusID 

Natalya V. Kostryukova, Cand. Sci. (Chem.), Associate Professor of the Industrial Safety and Industrial Ecology Department

ScopusID

kostrukova@list.ruУфимский университет науки и технологийРоссияUfa University of Science and TechnologyRussian Federation20242711202404715Copyright © Мельникова А.С., Кострюкова Н.В., 20242024Мельникова А.С., Кострюкова Н.В.Melnikova A.S., Kostryukova N.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.bps-journal.ru/jour/article/view/411

Введение. В связи с постоянно растущей потребностью в литийионных аккумуляторах (ЛИА) и увеличением количества уже используемых накопительных устройств актуальной темой на сегодняшний день является создание экологичного, безопасного и дешевого способа их утилизации. Жизненный цикл литийионных аккумуляторов меньше, чем оборудования, где они применяются, поэтому возрастает риск образования большого количества отходов, которые могут привести к серьезным проблемам с утилизацией и пагубному воздействию на окружающую среду. В то же время отработанные литийионные аккумуляторы можно использовать вторично, извлекая из них ценные компоненты для возвращения в производственный цикл. В связи с этим целью данной работы является исследование методов утилизации литийионных аккумуляторов и анализ предложенного авторами способа их утилизации с извлечением ценных компонентов (Li2CO3) при внедрении принципов экономики замкнутого цикла в производство.Материалы и методы. Авторами использовались методы систематизации научной литературы по проблематике утилизации литийионных аккумуляторов. Для выбора наиболее перспективного из них была использована программа Mpr_Dipl. В ней заложены прямые методы принятия решений, метод парных сравнений и метод взвешенной суммы. Разработка технологической схемы процесса переработки ЛИА проводилась в программе «КОМПАС-3D».Результаты исследования. В результате анализа были выделены достоинства и недостатки каждого метода утилизации литийионных аккумуляторов, а также выбран гидрохимический способ с использованием методики решения задач с многокритериальным выбором. Предложена технологическая схема процесса переработки литийионных аккумуляторов с извлечением карбоната лития, состоящая из пяти стадий: измельчение, разделение, фильтрация, осаждение и вылавливание влажного осадка Li2CO3. Рассчитан материальный баланс разработанного способа утилизации.Обсуждение и заключение. Разработанная авторами система утилизации обеспечивает безопасную переработку отработавших литийионных аккумуляторов при минимальном негативном воздействии на окружающую среду и максимальном выделении ценных компонентов. Результаты исследования могут быть использованы для модернизации процесса утилизации литийионных аккумуляторов с целью извлечения дополнительной прибыли от продажи карбоната лития.

Introduction. Due to the increasing demand for lithium-ion batteries, it has become a pressing issue to find an environmentally friendly and safe way to dispose of old batteries. The life cycle of these batteries is shorter than that of the equipment they power, which leads to a growing amount of waste. This waste poses a serious problem for disposal and can have harmful effects on the environment. At the same time, recycling spent lithium-ion batteries offers a solution. By extracting valuable components we can return these components to the production process and create a closed-loop system. In this regard, the aim of this study is to investigate the methods of recycling lithium-ion batteries and to analyze the proposed method for their disposal, which involves extracting valuable components such as Li2CO3, while introducing the principles of a closed-loop economy into the production process.Materials and Methods. The methods of systematizing scientific literature on lithium-ion battery recycling were used. The “Mpr_Dipl” software was used to select the most promising method, which includes direct decision-making, paired comparison, and weighted sum methods. A technological process for lithium-ion batteries processing was developed using the COMPASS-3D software.Results. As a result of the analysis, the advantages and disadvantages of each lithium-ion recycling method were highlighted. A hydrochemical method was selected using the multi-criteria decision-making method. A five-stage process for lithium ion battery processing with lithium carbonate extraction was developed, including grinding, separation, filtration, precipitation, and wet Li2CO3 capture. The material balance for the developed method was calculated.Discussion and Conclusion. The developed recycling system ensures safe recycling of used lithium-ion batteries with minimal negative environmental impact and maximum recovery of valuable components. These results can be used to optimize the recycling process and maximize the extraction of valuable materials from spent lithium-ion batteries for further sale as lithium carbonate, thereby generating additional revenue

литий-ионный аккумуляторпереработкаутилизацияэкономика замкнутого циклагидрометаллургияlithium-ion batteryrecyclingdisposalcircular economyhydrometallurgyReferencesBin Huang, Zhefei Pan, Xiangyu Su, Liang An. Recycling of Lithium-Ion Batteries: Recent Advances and Perspectives. Journal of Power Sources. 2018;399:274–286. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.116Bin Huang, Zhefei Pan, Xiangyu Su, Liang An. Recycling of Lithium-Ion Batteries: Recent Advances and Perspectives. Journal of Power Sources. 2018;399:274–286. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.116Yue Yang, Emenike G Okonkwo, Guoyong Huang, Shengming Xu, Wei Sun, Yinghe He. On the Sustainability of Lithium-Ion Battery Industry — A Review and Perspective. Energy Storage Mater. 2021;36:186–212. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.12.019Yue Yang, Emenike G Okonkwo, Guoyong Huang, Shengming Xu, Wei Sun, Yinghe He. On the Sustainability of Lithium-Ion Battery Industry — A Review and Perspective. Energy Storage Mater. 2021;36:186–212. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.12.019Аренков И.А., Иванова Д.В., Жеребчикова П.Е. Аналитический обзор рынка производителей литий-ионных аккумуляторов. Экономика, предпринимательство и право. 2023;13(12):5963–5980. https://doi.org/10.18334/epp.13.12.119994Arenkov IA, Ivanova DV, Zherebchikova PE. Analytical Review of the Market for Lithium-Ion Battery Manufacturers. Journal of Economics, Entrepreneurship and Law. 2023;13(12):5963–5980. (In Russ.) https://doi.org/10.18334/epp.13.12.119994Jędrzej Piątek, Semih Afyon, Tetyana M Budnyak, Serhiy Budnyk, Sipponen MH, Adam Slabon. Sustainable Li-Ion Batteries: Chemistry and Recycling. Advanced Energy Materials. 2021;11(43):203456. https://doi.org/10.1002/aenm.202003456Jędrzej Piątek, Semih Afyon, Tetyana M Budnyak, Serhiy Budnyk, Sipponen MH, Adam Slabon. Sustainable Li-Ion Batteries: Chemistry and Recycling. Advanced Energy Materials. 2021;11(43):203456. https://doi.org/10.1002/aenm.202003456Hayder Ali, Hassan A Khan, Pecht MG. Circular Economy of Li Batteries: Technologies and Trends. Journal of Energy Storage. 2021;40:102690. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102690Hayder Ali, Hassan A Khan, Pecht MG. Circular Economy of Li Batteries: Technologies and Trends. Journal of Energy Storage. 2021;40:102690. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102690Fisher M, Apt J, Whitacre JF. Can Flow Batteries Scale in the Behind-the-Meter Commercial and Industrial Market? A Techno-Economic Comparison of Storage Technologies in California. Journal of Power Sources. 2019;420:1–8. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.02.051Fisher M, Apt J, Whitacre JF. Can Flow Batteries Scale in the Behind-the-Meter Commercial and Industrial Market? A Techno-Economic Comparison of Storage Technologies in California. Journal of Power Sources. 2019;420:1–8. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.02.051Бесков В.С. Общая химическая технология. Москва: ИКЦ «Академкнига»; 2006. 452 с. URL: https://library.tou.edu.kz/fulltext/buuk/b2381.pdf (дата обращения: 20.06.2024).Beskov VS. General Chemical Technology. Moscow: IKTs Akademkniga; 2006. 452 p. URL: https://library.tou.edu.kz/fulltext/buuk/b2381.pdf (In Russ.) (accessed: 20.06.2024).Velazquez-Martínez O, Valio J, Santasalo-Aarnio A, Reuter M, Serna-Guerrero R, Serna-Guerrero R. A Critical Review of Lithium-Ion Battery Recycling Processes from a Circular Economy Perspective. Batteries. 2019;5(4):68. https://doi.org/10.3390/batteries5040068Velazquez-Martínez O, Valio J, Santasalo-Aarnio A, Reuter M, Serna-Guerrero R, Serna-Guerrero R. A Critical Review of Lithium-Ion Battery Recycling Processes from a Circular Economy Perspective. Batteries. 2019;5(4):68. https://doi.org/10.3390/batteries5040068Jinqiu Xu, Thomas HR, Francis RW, Lum KR, Jingwei Wang, Bo Liang. A Review of Processes and Technologies for the Recycling of Lithium-Ion Secondary Batteries. Journal of Power Sources. 2008;177(2):512–527. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.11.074Jinqiu Xu, Thomas HR, Francis RW, Lum KR, Jingwei Wang, Bo Liang. A Review of Processes and Technologies for the Recycling of Lithium-Ion Secondary Batteries. Journal of Power Sources. 2008;177(2):512–527. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.11.074Мельникова А.С. Способы утилизации литий-ионных источников тока. В: Труды международной научной экологической конференции «Аграрные ландшафты, их устойчивость и особенности развития», Краснодар, 24–26 марта 2020 года. Краснодар: Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина; 2020. С. 202–204.Melnikova AS. Methods for Disposal of Lithium-Ion Current Stones. In: Proceedings of the International Scientific Ecological Conference “Agricultural Landscapes, Their Sustainability and Development Features”, Krasnodar, March 24–26, 2020.Krasnodar: Kuban State Agrarian University; 2020. P. 202–204. (In Russ.)Xuehu Zhong, Wei Liu, Junwei Han, Fen Jiao, Wenqing Qin, Tong Liu, et al. Pyrolysis and Physical Separation for the Recovery of Spent LiFePO4 Batteries. Waste Management. 2019;89:83–93. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2019.03.068Xuehu Zhong, Wei Liu, Junwei Han, Fen Jiao, Wenqing Qin, Tong Liu, et al. Pyrolysis and Physical Separation for the Recovery of Spent LiFePO4 Batteries. Waste Management. 2019;89:83–93. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2019.03.068Thompson DL, Hartley JM, Lambert SM, Shiref M, Harper GDJ, Kendrick E, et al. The Importance of Design in Lithium-Ion Battery Recycling – A Critical Review. Green Chemistry. 2020;22:7585–7603. https://doi.org/10.1039/D0GC02745FThompson DL, Hartley JM, Lambert SM, Shiref M, Harper GDJ, Kendrick E, et al. The Importance of Design in Lithium-Ion Battery Recycling – A Critical Review. Green Chemistry. 2020;22:7585–7603. https://doi.org/ 10.1039/D0GC02745FEkberg C, Petranikova M. Chapter 7 – Lithium Batteries Recycling. In book: Chagnes A, Światowska J (eds.). Lithium Process Chemistry. 2015. P. 233–267. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801417-2.00007-4Ekberg C, Petranikova M. Chapter 7 – Lithium Batteries Recycling. In book: Chagnes A, Światowska J (eds.). Lithium Process Chemistry. 2015. P. 233–267. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801417-2.00007-4Juntao Hu, Jialiang Zhang, Hongxu Li, Yongqiang Chen, Chengyan Wang. A Promising Approach for the Recovery of High Value-Added Metals from Spent Lithium-Ion Batteries. Journal of Power Sources. 2017;351: 192–199. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.03.093Juntao Hu, Jialiang Zhang, Hongxu Li, Yongqiang Chen, Chengyan Wang. A Promising Approach for the Recovery of High Value-Added Metals from Spent Lithium-Ion Batteries. Journal of Power Sources. 2017;351: 192–199. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.03.093Pagliaro M, Meneguzzo F. Lithium Battery Reusing and Recycling: A Circular Economy Insight. Helliyon. 2019;5(6):e01866. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e01866Pagliaro M, Meneguzzo F. Lithium Battery Reusing and Recycling: A Circular Economy Insight. Helliyon. 2019;5(6):e01866. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e01866Ишбулатова А.И., Кусова И.В. Гранулирование как способ утилизации лузги подсолнечника. В: Труды IV международной научно-практической конференции «Проблемы обеспечения безопасности» (БЕЗОПАСНОСТЬ-2022), посвященной 90-летию УГАТУ. Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет; 2022. С. 252–255.Ishbulatova AI, Kusova IV. Granulation as a Way to Recycle Sunflower Husks. In: Proceedings of the IV International Scientific and practical conference “Security Problems” (SECURITY-2022) dedicated to the 90th anniversary of USATU. Ufa: Ufa State Aviation Technical University; 2022. P. 252–255. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.