Développement d'un procédé d'échange d'ions pour la récupération du lithium à partir des eaux usées issues du recyclage des batteries

Development of an ion exchange process for lithium recovery from battery recycling wastewaters

• Auteur / Autrice : Aliza marie Salces
• Direction : Alexandre Chagnes, Martin Rudolph
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Inscription en doctorat le 07/09/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeoRessources

Mots clés

Mots clés libres

Lithium

Échange d'ions

Recyclage des batteries

Lithium

Ion exchange

Battery recycling

Résumé

Voici la traduction en français de votre texte : Le lithium est un composant indispensable des batteries lithium-ion (LIB), une technologie clé pour accélérer la transition vers les énergies propres. Cependant, la production de lithium, qu'elle provienne de roches dures ou de saumures, ainsi que celle du nickel, du cobalt, du cuivre, de l'aluminium et du graphite, est intensive en ressources et peut annuler l'impact environnemental positif des LIBs. Par conséquent, la durabilité doit être assurée tout au long du cycle de vie des LIBs, de l'extraction et la production à la collecte, la réutilisation et le recyclage. En fin de vie, les LIBs doivent être recyclées pour récupérer leur contenu de valeur. Pendant le recyclage des LIBs, des pertes de lithium se produisent souvent lors des opérations humides, car le lithium se solubilise facilement dans l'eau. La quantité de composés de lithium solubles dans l'eau est affectée par le prétraitement des LIBs, et la concentration de lithium dans les eaux industrielles dépend du flux de processus (par exemple, la recirculation de l'eau, la quantité de matériau). Ce travail étudie l'influence des prétraitements, tels que les processus mécaniques et thermomécaniques, sur la composition de l'eau industrielle. Ceci est réalisé en analysant la chimie de l'eau – spécifiquement le pH et la présence d'anions et de cations qui peuvent affecter la sélectivité et l'efficacité du processus d'échange d'ions (IEX). Le comportement de sorption et de désorption du lithium sera étudié par lots en utilisant des résines IEX commerciales dans des systèmes d'eaux usées synthétiques et réelles de recyclage de batteries. Un problème courant avec les résines cationiques est leur faible sélectivité pour le lithium et leur préférence pour les ions multivalents. Par conséquent, l'impact des ions spécifiques (par exemple, Cu²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, Ni²⁺, F⁻ et phosphates), du pH et de la cinétique sur la récupération du lithium sera évalué afin d'identifier les capacités d'adsorption du lithium à l'équilibre et les coefficients de sélectivité. Par la suite, un processus IEX en colonne sera établi ainsi que des paramètres de fonctionnement optimisés tels que le volume de lit, le débit et la concentration de l'éluant. L'accent sera mis sur la maximisation de l'efficacité du processus, y compris le taux de récupération du lithium, et la minimisation de la consommation de réactifs. Enfin, la thèse étudiera une technique de production de sels de lithium de haute pureté par précipitation ou cristallisation à partir de solutions riches en lithium obtenues par le processus IEX. L'effet du pH, de la température et des impuretés sur la précipitation homogène et hétérogène des sels de lithium sera examiné. Les sels de lithium produits seront caractérisés par leur distribution granulométrique, leur cristallinité et leur pureté. Cette recherche propose une étude systématique de l'influence des prétraitements de recyclage des LIBs (par exemple, mécanique et thermomécanique) sur la composition de l'eau de process et du potentiel du processus IEX pour récupérer le lithium. Ce travail sera structuré comme suit : (1) une étude fondamentale sur la sorption/désorption du lithium à l'aide de résines IEX commerciales, (2) un processus IEX en colonne pour récupérer et concentrer le lithium des eaux industrielles, et (3) la production de sels de lithium par précipitation ou cristallisation à partir de solutions riches en lithium. La première partie de cette thèse se concentre sur les systèmes d'eau synthétiques et de référence pour comprendre l'effet des ions spécifiques (Cu²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, et Mn²⁺), du pH et de la cinétique sur la récupération du lithium. La deuxième partie se concentre sur l'optimisation du processus IEX en colonne, en utilisant des eaux de référence (issues de prétraitements mécaniques et thermiques) et des eaux industrielles de flottation de masse noire. La dernière partie développera une méthode rentable pour produire des sels de lithium de haute pureté qui répondent aux exigences des précurseurs de matériaux actifs de cathode. Dans l'ensemble, l'objectif de cette thèse est de contribuer au développement d'un processus de récupération et de recyclage du lithium à partir des eaux industrielles générées lors du recyclage des batteries. Cette recherche contribuera finalement à la durabilité de l'industrie des batteries.

Lithium is an indispensable component of Li-ion batteries (LIBs), a key technology in accelerating the clean energy transition. However, the production of lithium, whether from hard rock or brines, alongside nickel, cobalt, copper, aluminum, and graphite, is resource-intensive and can negate LIBs' positive environmental impact. Therefore, sustainability must be ensured throughout the LIB lifecycle, from mining and production to collection, repurposing, and recycling. At their end-of-life, LIBs must be recycled to recover their valuable content. During LIB recycling, lithium losses often occur in wet operations as lithium readily solubilizes in water. The quantity of water-soluble lithium compounds is affected by the pre-treatment of LIBs, and the lithium concentration in industrial waters depends on the process flow (e.g., water recirculation, material quantity). This work investigates the influence of pre-treatments, such as mechanical and thermo-mechanical processes, on the composition of industrial water. This is achieved by analyzing the water chemistry—specifically pH and the presence of anions and cations that may affect the selectivity and efficiency of the ion exchange (IEX) process. The sorption and desorption behavior of lithium will be studied batch-wise using commercial IEX resins in synthetic and real battery recycling wastewater systems. A prevailing issue with cationic resins is their poor selectivity for lithium and their preference for multivalent ions. Hence, the impact of specific ions (e.g., Cu²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, Ni²⁺, F⁻, and phosphates), pH, and kinetics on lithium recovery will be assessed to identify equilibrium lithium uptakes and selectivity coefficients. Subsequently, a column IEX process will be established along with optimized operation parameters such as bed volume, flow rate, and eluant concentration. The focus will be on maximizing process efficiency, including the lithium recovery rate, and minimizing reagent consumption. Finally, the thesis will investigate a technique for producing high-purity lithium salts through precipitation or crystallization from lithium-rich solutions obtained from the IEX process. The effect of pH, temperature, and impurities on the homogeneous and heterogeneous precipitation of lithium salts will be examined. The produced lithium salts will be characterized by their particle size distribution, crystallinity, and purity. This research offers a systematic study of the influence of LIB recycling pre-treatments (e.g., mechanical and thermo-mechanical) on process water composition and the potential of the IEX process to recover lithium. This work will be structured accordingly: (1) a fundamental study on the sorption/desorption of lithium using commercial IEX resins, (2) a column IEX process to recover and concentrate lithium from industrial waters, and (3) the production of lithium salts by precipitation or crystallization from lithium-rich solutions. The first part of this thesis focuses on synthetic and reference water systems to understand the effect of specific ions (Cu²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, and Mn²⁺), pH, and kinetics on lithium recovery. The second part focuses on optimizing the column IEX process, using reference waters (from mechanical and thermal pre-treatment) and industrial waters from black mass flotation. The last part will develop a cost-effective method to produce high-purity lithium salts that meet the requirements for Cathode Active Material precursors. Overall, the objective of this thesis is to contribute to the development of a process for recovering and recycling lithium from industrial wastewaters generated during battery recycling. This research will ultimately contribute to the sustainability of the battery industry.