使用済みリチウムイオン電池のリサイクルのためのグリーン還元剤としての果皮廃棄物の再利用

Re-purposing of fruit peel waste as a green reductant for recycling of spent lithium ion batteries.

• Zhuoran Wu
• Tanto Soh
• Jun Jie Chan
• Shize Meng
• Daniel Meyer
• Madhavi Srinivasan
• Chor Yong Tay

抄録

使用済みリチウムイオン電池(LIB)を処理するための環境に優しい湿式製錬プロセスの開発は、電子廃棄物循環経済の重要な側面である。ここでは、爆発性の高いH2O2の代替として、廃棄されたオレンジピールパウダー(OP)を、工業的に製造されたリチウムイオン電池の廃棄物をクエン酸(H3Cit)中に浸出させるためのグリーン還元剤として評価した。セルロースと酸化防止剤を豊富に含むOPの還元能力は、3,5-ジニトロサリチル酸及び2,2'-アジノビス(3-エチルベンゾチアゾリン-6-スルホン酸)を用いて検証した。浸出パラメータとして、OP濃度(200mg),処理温度(100℃),H3Cit濃度(1.5M),反応時間(4時間)及びスラリー密度(25g/ml)を設定し、LIBからのNi,Mn,Co,Liの浸出効率が80-99%となるように系統的に最適化した。重要なことは、OP リーチングにより生成した固体サイドストリームは、3 種類のヒト細胞株において無視できるほどの細胞毒性を示したことであり、このプロセスは環境的にも安全であることを示唆している。概念実証として、Co(OH)2をグリーンリキシビエントから選択的に回収し、その後、LiCoO2(LCO)コイン電池の新しいバッチを製造するために利用した。ガルバノ静電充放電試験の結果、再生された電池の初期充放電値はそれぞれ120 mAh/gと103 mAh/gであり、市販のLCO電池と同等の性能であることが明らかになった。使用済みリチウムイオン電池から貴重な金属を回収するために果皮廃棄物を利用することは、両廃棄物の環境フットプリントを最小化するための効果的で環境に優しい持続可能な戦略である。

The development of environmentally-benign hydrometallurgical processes to treat spent lithium ion batteries (LIBs) is a critical aspect of the electronic-waste circular economy. Herein, as an alternative to the highly explosive H2O2, discarded orange peel powder (OP) is valorized as a green reductant for the leaching of industrially produced LIBs scraps in citric acid (H3Cit) lixiviant. The reductive potential of the cellulosic- and antioxidants-rich OP was validated using the 3,5-dinitrosalicylic acid and 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic) acid assays. Leaching parameters such as OP concentration (200mg), processing temperature (100oC), H3Cit concentration (1.5 M), reaction duration (4 h) and slurry density (25g /ml) were systematically optimized to achieve 80-99% leaching efficiencies of Ni, Mn, Co, and Li from the LIBs "black mass". Importantly, solid side-streams generated by the OP-enabled leaching displayed negligible cytotoxicity in 3 different human cell lines, suggesting that the process is environmentally safe. As a proof-of-concept, Co(OH)2 was selectively recovered from the green lixiviant and subsequently utilized to fabricate new batches of LiCoO2 (LCO) coin cell batteries. Galvanostatic charge-discharge test revealed that the regenerated batteries exhibited initial charge and discharge values of 120 mAh/g and 103 mAh/g respectively, which is comparable to the performance of commercial LCO batteries. The use of fruit peel waste to recover valuable metals from spent LIBs is an effective, ecofriendly and sustainable strategy to minimize the environmental footprint of both waste types.