Tutkija Topi Tirronen, Aalto yliopisto

Topi Tirronen

Metallifoorumi III, 13.12.2016

Porin yliopistokeskus

Pyrometallurgia ja termodynamiikka

Akkuhivenaineiden jakauma ja

talteenottopotentiaali kuparin

sulatuksessa

Topi Tirronen Metallifoorumi III 13.12.2016

Kertausta

• Pyrometallurginen käsittely yleisin

menetelmä akuille ja paristoille – Sulatus (Umicore edelläkävijä)

– Vakuumitislaus (Li, Cd, Zn, Hg ja Pb erottelu)

• Kuonaan hukataan useita

hyödynnettäviä metalleja

Topi Tirronen Metallifoorumi III 13.12.2016 1

Kuva: Tytgat, Jan. Umicore. 2011

Kokeellisen työn tarkoitus

• Akkuhivenaineiden jakauma sulatusprosessissa

– Miten paljon menetetään kuonaan?

• Nikkelin ja koboltin parempi saanti olemassa olevissa

prosesseissa

• Kartoittaa, voidaanko uusia menetelmiä hyödyntää

teollisuudessa

Topi Tirronen Metallifoorumi III 13.12.2016 2

Kupari-kuparikivi-kuona

tasapainotus ampullissa • Näytteen hivenaineet (n. 1 paino%

metalli- tai kuonafaasista)

Ni Co Ag Nd Mn Li

Li-ion NiMH Hopeanappi

Ennen

sulatusta Sulatuksen

jälkeen

1cm

Topi Tirronen Metallifoorumi III 13.12.2016 3

Näytteen sammutus

• Lämpötilan lasku 1300 C alle

sekunnissa

• Suolavesi kylmin

sammutusmedia n. -10 C

• Tiiliskiven avulla näytteen kärki

nopeammin jäähdytetyksi

2x hidastus

Topi Tirronen Metallifoorumi III 13.12.2016 4

Termodynaaminen tasapaino

• Testeissä tasapaino

saavutettu 1 tunnissa

• Cu määrä kuonassa

n. 4-5% tarkoittaa

oikeaa hapen

osapainetta (Fe3O4

faasi läsnä)

• Queenslandin

yliopiston julkaisut

tukee Aalto yliopiston

tuloksia Lähde T. Hidayat et al. 2016

Topi Tirronen Metallifoorumi III 13.12.2016 5

Ampulleissa testaus

• Ampullien teko

– Putsaus sisältä ennen sulkemista

– Kärjen muokkaaminen

– Yhtenäisyys

• Sammutus

– Jääsuolavesi

– Ampullin seinän paksuus

– Tiiliskiven käyttäminen sammutuksessa

• Hapen osapaineen ja kokonaispaineen säätö

– Ampulli ilman tyhjiötä ja reikä ampullin seinämässä

• Samanlaisia tuloksia kuin vakuumissakin

• Faasitasapainot näytteessä

Topi Tirronen Metallifoorumi III 13.12.2016 6

T=1300 °C

Kuparikiven reagointi aggressiivisesti aiheuttaa

vuotoja ampullin seinämään

Kuona

Kivi

Cu

Topi Tirronen Metallifoorumi III 13.12.2016 7

5 d @ 1250 °C

– Pystytään analysoimaan jopa ppb (parts per billion) pitoisuuksia

– Laser haihduttaa hiukkasia näytteestä ja massaspektrometri analysoi nämä hiukkaset

– Haasteita vielä oikeiden standardien kanssa

Lähde: J. Chen et al. 2016

Kuona Kuparikivi

LA-ICP-MS (Laser Ablation Inductively

Coupled Plasma Mass Spectrometry)

Topi Tirronen Metallifoorumi III 13.12.2016 8

Ni 0,4%

Ni

0,03%

Ni

0,25%

Ni

0,8%

Cu 98% Cu 80%

Cu

4,5%

Cu

1%

Co 0,2%

Co

0,002%

Co

0,35%

Co

0,7%

Ag 1% Ag

0,35%

Ag

0,005%

Nd

0,3%

Mn

0,45%

Li

0,3%

KUPARI

KUPARIKIVI KUONA

Magnetiitti

Laser Tasapaino 1250 °C

Topi Tirronen Metallifoorumi III 13.12.2016 9

Jatkosuunnitelmat

• Kokeellisen työn jatkaminen

– EPMA analyysit GTK:lla tammikuussa • Magnetiitti

• Kupari

• Kuparikivi

• Kuona

– Näytteiden vertailu eri lämpötiloissa

– Tieteellinen artikkeli testeistä

Topi Tirronen Metallifoorumi III 13.12.2016 10

Liiketoimintamahdollisuudet

• Li-ion & NiMH akuille pienen skaalan sulatusuuni +

hydrometallurginen jälkikäsittely kuonalle

• Magnetiitin erottelu kuparikuonasta

– 3Fe2SiO4 + O2 → 2Fe3O4 + 3SiO2

– Korkeampi metallipitoisuus verrattuna kuonaan

– Raudan kierrättäminen terästeollisuuteen

– Jäljellä jäävä SiO2 myös kierrätykseen

– Eroon kuonan läjityksestä

Topi Tirronen Metallifoorumi III 13.12.2016 11

Kiitos!

[email protected]

Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu

Materiaalitekniikan laitos