JP2022545753A - 正極スクラップを用いた活物質の再使用方法 - Google Patents
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Abstract
正極スクラップから活物質を回収して再使用する方法を提供する。本発明の正極活物質の再使用方法は、（ａ）集電体上のリチウムコバルト酸化物正極活物質層を含む正極スクラップを空気中で熱処理して活物質層中のバインダーと導電材を熱分解することで、集電体を活物質層から分離し、活物質層中の活物質を回収する段階と、（ｂ）回収された活物質を水溶液状態で塩基性を示すリチウム化合物水溶液で洗浄して乾燥する段階と、（ｃ）洗浄された活物質にリチウム前駆体を添加してアニーリングして再使用可能な活物質を得る段階と、を含む。
Description
本発明は、リチウム二次電池の製造時、資源をリサイクルする方法に関する。本発明は、特に、リチウム二次電池の製造工程で発生する正極スクラップまたは使用後に廃棄されるリチウム二次電池の正極活物質を回収して再使用する方法に関する。
本出願は、２０２０年５月２５日出願の韓国特許出願第１０－２０２０－００６２３７０号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
反復的な充電と放電の可能なリチウム二次電池が化石エネルギーの代替手段として脚光を浴びている。リチウム二次電池は、携帯電話、ビデオカメラ、電動工具のような伝統的なハンドヘルドデバイスに主に使用されていた。しかし、最近には、電気で駆動される自動車（ＥＶ、ＨＥＶ、ＰＨＥＶ）、大容量の電力貯蔵装置（ＥＳＳ）、無停電電源装置（ＵＰＳ）などにその適用分野が次第に増加しつつある。
リチウム二次電池は、活物質が集電体にコーティングされた正極板と負極板が分離膜を挟んで配置された構造を有する単位セルが集合した電極組立体と、この電極組立体を電解液と共に密封して収納する外装材、即ち、電池ケースを備える。リチウム二次電池の正極活物質は、主にリチウム系酸化物を使用し、負極活物質は炭素材を使用する。リチウム系酸化物には、コバルト、ニッケルまたはマンガンのような金属が含有されている。特に、コバルト、ニッケル、マンガンは、非常に高価である有価金属であり、その中でもコバルトは戦略的金属に属するものであって、世界各国は需給に格別の関心を持っており、コバルト生産国の数が限定されていることから、世界的にその需給が不安定な金属と知られている。戦略的金属の原資材の需給不均衡が招来されると、原資材価格の上昇可能性が大きい。
既存には、使用後に寿命が完了して廃棄されるリチウム二次電池（廃電池）からこのような有価金属を回収してリサイクルする研究が主に進んできた。廃電池の外にも、正極板の打ち抜き後に捨てられる廃棄物または工程中に不良が発生した正極から資源が回収可能であれば、より望ましい。
現在、リチウム二次電池の製造時には、図１のようにアルミニウム（Ａｌ）ホイルのような長いシート状の正極集電体１０に、正極活物質、導電材、バインダー、溶媒などを混合した正極スラリーをコーティングして正極活物質層２０を形成することで正極シート３０を製造した後、一定のサイズで正極板４０を打ち抜いている。打ち抜いた後に残った部分は、正極スクラップ（ｓｃｒａｐ）５０として廃棄される。正極スクラップ５０から正極活物質を回収して再使用可能になれば、産業経済面及び環境面で非常に望ましいであろう。
既存の正極活物質を回収する方法は、正極を、塩酸、硫酸、硝酸などで溶解した後、コバルト、ニッケル、マンガンなどの活物質元素を抽出し、再び正極活物質の合成のための原料として使用する場合がほとんどである。しかし、酸を用いた活物質元素の抽出法は、純粋な原料を回収するための工程が環境に優しくないだけでなく、中和工程と廃水処理工程が必要になり、工程費用が上昇するという短所がある。また、正極活物質元素のうち主元素の一つであるリチウムを回収できないという短所がある。このような短所を解消するには、正極活物質を溶解せず、活物質を元素形態で抽出することなく直接再使用可能な方法が必要である。
本発明は、正極スクラップから活物質を回収して再使用する方法を提供することを目的とする。
上記の課題を達成するために、本発明の正極活物質の再使用方法は、（ａ）集電体上のリチウムコバルト酸化物正極活物質層を含む正極スクラップを空気中で熱処理して活物質層中のバインダーと導電材を熱分解することで、集電体を活物質層から分離し、活物質層中の活物質を回収する段階と、（ｂ）回収された活物質を水溶液状態で塩基性を示すリチウム化合物水溶液で洗浄して乾燥する段階と、（ｃ）洗浄された活物質にリチウム前駆体を添加してアニーリングして再使用可能な活物質を得る段階と、を含む。
熱処理を、３００～６５０℃で行い得る。
熱処理を、５℃／ｍｉｎの温度上昇速度で、５５０℃で３０分間行い得る。
洗浄を、回収された活物質をリチウム化合物水溶液に含浸すると共に攪拌することで行い得る。
リチウム化合物水溶液は、０％超過１５％以下のリチウム化合物を含むように製造され、望ましくはＬｉＯＨを使用する。洗浄は、１時間以内で行い得る。
リチウム前駆体は、ＬｉＯＨ、Ｌｉ２ＣＯ３、ＬｉＮＯ３及びＬｉ２Ｏのいずれか一つ以上であり得る。
リチウム前駆体を、活物質層に使用された原材料活物質中のリチウムと他の金属との割合に対し、損失されたリチウムの割合分を補い得る量で添加し得る。
例えば、リチウム前駆体を、リチウム添加量が０．００１～０．４モル比となる量で添加し得る。
アニーリングを４００～１，０００℃の空気中で行い得る。
アニーリング段階の温度は、リチウム前駆体の融点を超過する温度であり得る。
活物質層中の活物質を粉末形態で回収し、バインダーや導電材の炭化によって生じる炭素成分が表面に残っていない。
再使用可能な活物質は、活物質層中の活物質と類似の粒度分布を有し得る。
本発明による正極活物質の再使用方法は、（ａ）集電体上のリチウムコバルト酸化物正極活物質層を含む正極から正極板を打ち抜いた後に残った部分である正極スクラップを、空気中で、３００～６５０℃で熱処理して活物質層中のバインダーと導電材を熱分解することで、集電体を活物質層から分離し、活物質層中の活物質を回収する段階と、（ｂ）回収された活物質を、水溶液状態で塩基性を示し、０％超過１５％以下のリチウム化合物を含んでいるリチウム化合物水溶液で洗浄して乾燥する段階と、（ｃ）洗浄された活物質に、ＬｉＯＨ、Ｌｉ２ＣＯ３、ＬｉＮＯ３及びＬｉ２Ｏのうちいずれか一つ以上を添加し、４００～１，０００℃の空気中でアニーリングする段階と、を含む。
本発明によると、リチウム二次電池の製造工程で発生する正極スクラップのような廃正極活物質を、酸を用いることなく再使用可能であるため、環境に優しい。本発明による方法は、中和工程や廃水処理工程が不要であるので、環境への負担を緩和して工程費用を節減することができる。
本発明によると、回収できない金属元素なく正極活物質を回収することができる。集電体を溶解しないため、集電体も回収可能である。活物質元素を抽出してさらに正極活物質の合成のための原料として使用せず、粉末形態で回収した活物質を直接再使用できる方法であるので、経済的である。
本発明によると、ＮＭＰ、ＤＭＣ、アセトン、メタノールのような有毒及び爆発危険のある溶媒を使用しないため安全であり、熱処理と洗浄、アニーリングなどの簡単な工程を用いることから、工程管理が容易であり、大量生産に適している。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
後述する説明において、本願の一部を形成する添付図面を参照する。詳細な説明に記述された具現例、図面及び請求項は、制限しようとする意図がない。ここに開示された主題物の精神と範囲から外れることなく他の実施例を活用することができ、他の変更も可能である。ここに一般的に記述され、図面によって説明されたような本発明の様相は、多様な他の構成で配列、代替、組合せ、分離及びデザインされ得、その全てがここで確かに考慮されたということを理解することができるであろう。
他の方式で定義されない限り、本明細書において使用されたあらゆる技術的・科学的用語は、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者（以下、「当業者」とする。）に共通して理解されるものと同じ意味を有する。
本発明は、本願に説明された特定の実施例によって限定されない。当業者に明白であるように、本発明の精神と範囲から外れることなく多様な変更と修正が可能である。ここに列挙したものに加え、本願の範囲内で機能的に均等な方法が前述した説明から当業者に明白になるであろう。そのような変更と修正は、添付の特許請求の範囲内にある。このような請求項が資格を付与する均等物の全体範囲と共に、本発明は、請求項のみによって限定される。本発明が、勿論、変化され得る特定の方法に限定されることではないという点を理解しなければならない。ここに使用された専門用語は、特定の実施例を説明するための目的としてのみ使用されているだけで、制限しようとする意図ではない。
従来の活物質リサイクル工程の場合、使用後、性能が退化したリチウム二次電池活物質内に有価金属（ニッケル、コバルト、マンガンなど）を元素として抽出して活物質を再合成することが主なことであったとしたら、本発明は、リチウム二次電池の製造工程中に発生する正極スクラップから活物質を回収するという点で差別性がある。
また、既存に知られた活物質リサイクル工程の場合、酸／塩基溶解または還元／添加剤を用いた溶融を用いて有価金属を抽出し、これを金属（直接還元法）または再合成した活物質に製造するなどの化学的方法が加えられ、工程の複雑性及び費用がさらに発生する。しかし、本発明は、正極活物質を溶解することなく直接再使用する方法に関する。
正極活物質を直接再使用するには、正極から集電体を除去しなければならない。正極から集電体を除去する方法には、高温の熱処理によってバインダーを除去すること、溶媒を用いてバインダーを溶かすこと、集電体そのものを溶かすこと、乾式粉砕とふるい分離によって活物質を選別することなどが挙げられる。
溶媒を用いてバインダーを溶かすには、溶媒の安定性が重要である。ＮＭＰが最も効率的な溶媒であるが、毒性及び高い価格という短所がある。そして、廃溶媒を再処理するなどの溶媒回収工程が必要となる短所もある。集電体を溶かすことは、溶媒を用いることよりは工程費用が安い。しかし、再使用活物質の表面の異物除去が難しく、集電体の除去過程で水素ガスが発生するため、爆発の危険がある。乾式粉砕とふるい分離によっては、集電体と活物質とを完璧に分離しにくい。粉砕過程で活物質の粒度分布が変わり、バインダー除去が難しいため、これを再使用した電池特性が退化するという短所がある。
本発明では、高温の熱処理を用いて活物質と集電体を分離する。特に、熱処理を空気中で行うため、格別の装置構成が求められず、加熱さえすればよい比較的に簡単な工程であるため、大量生産及び商業化に有利である。しかし、再使用活物質の表面に異物が残留してはいけない。本発明においては、再使用活物質の表面の異物除去の段階までも提案する。
以下、図２を参照して本発明の一実施例による活物質の再使用方法を説明する。図２は、本発明による活物質の再使用方法のフローチャートである。
図２を参照すると、先ず、捨てられる正極スクラップを準備する（段階Ｓ１０）。
正極スクラップは、図１を参照して説明したように、集電体上に正極活物質層を含む正極シートを製造し、打ち抜いた後に残った部分であり得る。しかのみならず、工程中に不良が発生した正極を集めて正極スクラップを用意し得る。また、使用後に廃棄されたリチウム二次電池から正極を分離して正極スクラップを用意してもよい。
例えば、ＬｉＣｏＯ２（ＬＣＯ）のようなリチウムコバルト酸化物である活物質、導電材として炭素系であるカーボンブラック、及びバインダーであるポリビニリデンフルオライド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ， ＰＶｄＦ）に、ＮＭＰ（Ｎ－ｍｅｔｈｙｌ ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）を添加して混合して製造したスラリーをアルミニウムホイルからなるシート状集電体の上にコーティングした後、約１２０℃の真空オーブンで乾燥して正極シートを製造した後、一定の大きさの正極板を打ち抜いて残った正極スクラップを準備する場合であり得る。
このように正極スクラップは、アルミニウムホイルのような金属箔の集電体の上に活物質層を有している。活物質層は、活物質、導電材、バインダー、溶媒などを混合したスラリーをコーティングして形成したものであることから、溶媒の揮発後、活物質と導電材とをバインダーが連結する構造となっている。したがって、バインダーを除去すると、集電体から活物質が分離できる。
次に、このような正極スクラップを適切な大きさで破砕する（段階Ｓ２０）。破砕は、正極スクラップが適当に取扱いが容易な大きさに切断または切り刻む（ｓｈｒｅｄｄｉｎｇ）することを示す。破砕してから正極スクラップは、例えば、１ｃｍ×１ｃｍの大きさに細かく切られる。破砕には、ハンドミル、ピンミル、ディスクミル、カッターミル、ハンマーミルのような多様な乾式粉砕装備を用いてもよく、高速カッターを用いてもよい。
破砕は、正極スクラップの取扱いと以後の工程で用いる装備のうち、求められる特性を考慮して行い得る。例えば、正極スクラップのローディングとアンローディングにおいて連続的な処理が必要な装備を用いる場合なら、正極スクラップの流動性がよくなければならないため、大きすぎる正極スクラップを破砕すべきである。
次に、正極スクラップを空気中で熱処理する（段階Ｓ３０）。
本発明において、熱処理は、活物質層中のバインダーを熱分解するために行う。熱処理は、３００～６５０℃で行い得ることから、高温熱処理ともいえる。３００℃未満の温度では、バインダーの除去が難しくなり、集電体を分離できない問題が起こり、６５０℃以上の温度では、集電体が溶けてしまい（Ａｌの融点：６６０℃）、集電体を分離することができなくなる。
熱処理時間は、バインダーが充分に熱分解される程度に維持する。例えば、３０分間前後にする。望ましくは、３０分間以上にする。熱処理時間が長くなるほどバインダーの熱分解が起こる時間が長くなるが、一定時間以上になれば、熱分解効果に差がなくなる。望ましくは、熱処理時間は、３０分間以上５時間以下にする。
熱処理装備は、多様な形態のファーネス（ｆｕｒｎａｃｅ）であり得る。例えば、ボックス型のファーネスであってもよく、生産性を考慮すると、連続的な処理が可能なロータリキルン（ｒｏｔａｒｙ ｋｉｌｎ）であり得る。
熱処理後には大気中で徐冷または急冷し得る。
例えば、熱処理は、温度上昇速度５℃／ｍｉｎ、５５０℃で３０分間行い得る。温度上昇速度は、例えば、ボックス型のファーネスで無理なく具現可能でありながら、正極スクラップに熱衝撃などを発生させることなく加熱可能な程度であり得る。５５０℃は、Ａｌ集電体の融点を考慮しながらも、バインダーの熱分解がよく起こるようにする温度である。この温度では、１０分間未満に熱処理をすると、熱分解が十分でないので、１０分間以上に熱処理をしなくてはならず、３０分間以上熱処理することが望ましい。
空気中における熱処理によって活物質層中のバインダーと導電材が熱分解されながらＣＯ２とＨ２Ｏになって除去される。バインダーが除去されるため、集電体から活物質が分離され、回収しようとする活物質は粉末形態で選別され得る。したがって、段階Ｓ３０のみでも集電体を活物質層から分離し、活物質層中の活物質を回収することができる。
段階Ｓ３０の熱処理は、空気中で行うことが重要である。還元気体または非活性気体雰囲気で熱処理を行うと、バインダーと導電材が熱分解されず、炭化される。炭化されると、炭素成分が活物質の表面に残るようになり、再使用活物質の性能を低下させるようになる。空気中で熱処理を行うと、バインダーや導電材中の炭素物質は、酸素と反応してＣＯ、ＣＯ２ガスに燃焼して除去されるため、バインダーと導電材の残留なくほとんど除去される。
そのため、本発明によると、活物質は粉末形態で回収され、バインダーや導電材の炭化によって生ずる炭素成分が表面に残らない。
次に、回収された活物質を洗浄して乾燥する（段階Ｓ４０）。洗浄に際し、水溶液状態で塩基性を示すリチウム化合物水溶液で洗浄することが重要である。このようなリチウム化合物水溶液は、０％超過１５％以下のリチウム化合物を含むように製造され、望ましくは、ＬｉＯＨを使用する。ＬｉＯＨの量は、１５％以下にすることが望ましい。過量のＬｉＯＨの使用は、洗浄後にも活物質の表面にＬｉＯＨが残ることがあり、以後のアニーリング工程に影響を及ぼし得る。最大限にアニーリングの前段階における活物質の表面をきれいにするために、過量のＬｉＯＨ添加は工程上よくないので、１５％以下に制限する。
洗浄は、このようなリチウム化合物水溶液に回収された活物質を浸漬しておくことで行い得る。浸漬後一週間、望ましくは一日間、より望ましくは１時間以内で洗浄を行い得る。一週間以上洗浄する場合、リチウムの過多溶出によって容量低下が発生する恐れがある。したがって、１時間以内で行うことが望ましい。洗浄は、水溶液状態で塩基性を示すリチウム化合物水溶液に活物質を浸漬しておくこと、浸漬した状態で攪拌することなどを含む。なるべく攪拌を並行した方がよい。リチウム化合物水溶液で攪拌せず浸漬のみを行うと、洗浄工程が遅くなり、リチウム溶出の原因になり得る。攪拌を並行すると、工程時間を最小化することができるため、攪拌はリチウム化合物水溶液の含浸と共に行うことが望ましい。乾燥は、濾過後にオーブン（ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｔｙｐｅ）で空気中で行い得る。
水溶液状態で塩基性を示すリチウム化合物水溶液で洗浄する理由は、回収された活物質の表面に存在し得るＬｉＦと金属フッ化物（ｍｅｔａｌ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）を除去して表面を改質するためである。段階Ｓ３０の熱処理の間には、活物質層中のバインダーと導電材がＣＯ２とＨ２Ｏになりながら気化して除去され、この過程でＣＯ２とＨ２Ｏが活物質表面のリチウムと反応してＬｉ２ＣＯ３、ＬｉＯＨを形成するか、またはＰＶｄＦのようなバインダーに存在していたＦが正極活物質を構成する金属元素と反応してＬｉＦまたは金属フッ化物を形成し得る。ＬｉＦまたは金属フッ化物が残っていれば、活物質の再使用時に電池特性が劣化する。本発明においては、段階Ｓ４０のように洗浄段階を追加して、熱処理段階Ｓ３０で再使用活物質の表面に生成されている反応物を除去することで、再使用活物質の表面に異物が残らないようにする。
段階Ｓ４０では、水溶液状態で塩基性を示すリチウム化合物水溶液で洗浄するのが重要である。水溶液状態で塩基性を示すリチウム化合物水溶液ではなく、硫酸や塩酸水溶液を使用すると、活物質表面のＦを洗浄することはできるが、活物質に存在する転移金属（Ｃｏ，Ｍｇ）などを溶出させて再使用正極活物質の性能を低下させる。本発明において使用する水溶液状態で塩基性を示すリチウム化合物水溶液は、段階Ｓ３０の熱分解後にも微量でも残っているかもしれないバインダーを除去可能であるだけでなく、活物質に存在する転移金属などを溶出させず、洗浄過程で溶出され得るリチウムの量を補う役割も果たすため、非常に望ましい。
次に、洗浄された活物質にリチウム前駆体を添加してアニーリングする（段階Ｓ５０）。段階Ｓ５０によって、再使用可能な活物質が得られる。
前段階であるＳ３０、Ｓ４０を経る間、活物質中のリチウム損失が発生し得る。段階Ｓ５０では、このようなリチウム損失量を補う。
しかのみならず、段階Ｓ５０では、アニーリングによって活物質の結晶構造を回復して再使用活物質の特性を一度も使用しなかったフレッシュな活物質水準に回復または改善する。
前段階であるＳ３０、Ｓ４０を経る間、活物質の表面に変形構造が現われ得る。また、ＬＣＯ活物質の場合なら、表面で熱分解によってＣｏ３Ｏ４が生成されていることもある。Ｃｏ３Ｏ４がそのまま存在する状態で電池を製造すると、電池特性が悪くなり得る。本発明においては、段階Ｓ５０によって結晶構造を回復し、Ｃｏ３Ｏ４を除去して、フレッシュな活物質に類似の水準に初期特性を回復または改善することができる。
段階Ｓ５０のリチウム前駆体は、ＬｉＯＨ、Ｌｉ２ＣＯ３、ＬｉＮＯ３及びＬｉ２Ｏのいずれか一つ以上であり得る。
リチウム前駆体は、活物質層に使用された原材料活物質（即ち、フレッシュな活物質）中のリチウムと他の金属との割合に対し、損失されたリチウムの割合分を補い得る量で添加される。例えば、フレッシュな活物質中のリチウムと他の金属との割合が１である場合、リチウム添加量が０．００１～０．４モル比となる量でリチウム前駆体を添加し得る。望ましくは、０．０１～０．２モル比になるように添加することが望ましい。洗浄などによって損失されたリチウム量以外の過量のリチウム前駆体の添加は、未反応リチウム前駆体を再使用活物質に残すようになり、これは活物質の再使用過程で抵抗を増加させる要因になるので、適切な量のリチウム前駆体の添加が求められる。
アニーリングは、４００～１，０００℃、空気中で行い得る。また、アニーリング温度は６００～９００℃であり得る。アニーリング温度は、リチウム前駆体の種類によっては制限された範囲内で変化し得る。アニーリング時間は１時間以上にすることが望ましい。より望ましくは、５時間前後である。アニーリング時間が長い場合、結晶構造回復が充分に行われるが、長時間行うとしても性能に大きい影響を与えない。アニーリング時間は、例えば、１５時間以内にする。アニーリング装備は、熱処理段階Ｓ３０と同一または類似の装備を用い得る。
例えば、リチウム前駆体としてＬｉ２ＣＯ３を使用する場合、アニーリング温度は７００～９００℃が望ましく、より望ましくは、７１０～７８０℃である。これは、Ｌｉ２ＣＯ３の融点が７２３℃であるためである。さらに望ましくは７５０℃で行う。リチウム前駆体としてＬｉＯＨを使用する場合、アニーリング温度は４００～６００℃が望ましく、より望ましくは４５０～４８０℃である。これは、ＬｉＯＨの融点が４６２℃であるためである。
アニーリング温度は、リチウム前駆体の融点を超過する温度であることが望ましい。但し、１，０００℃を超過する温度では、正極活物質の熱分解が発生して活物質の性能低下が発生するため、１，０００℃を超えないようにする。
このように本発明によると、ＬｉＦまたは金属フッ化物は洗浄段階Ｓ４０で、Ｃｏ３Ｏ４はアニーリング段階Ｓ５０で除去される。水溶液状態で塩基性を示すリチウム化合物水溶液を使用した洗浄及び乾燥段階は、安全かつ安価であり、他の元素の消失なくＬｉＦまたは金属フッ化物を除去することができ、転移金属などの溶出を防止でき、工程中に発生するリチウム損失を補うことができる長所がある。アニーリング段階も、安全かつ安価であり、Ｃｏ３Ｏ４を効果的に除去でき、結晶構造の回復、即ち、結晶性を改善して再使用活物質の電池特性が回復可能な長所がある。
本発明によって得られる再使用可能な活物質は、正極スクラップ中の活物質層中に存在していた活物質と類似の粒度分布を有するため、別の処理をしなくてもよい。バインダーや導電材に生ずる炭素成分が表面に残っていないため、このような炭素成分を除去するための段階などが不要である。したがって、以上の図２の方法によって得られた活物質は、別の処理なくそのまま再使用して正極の製造に用いることができる。
再使用活物質を組成の調節なく１００％そのまま使用するか、フレッシュなＬＣＯに混合して、導電材やバインダー、溶媒に混合してスラリーに製造して使用し得る。
以下、本発明の実験例について詳しく説明する。
＜実験例＞
以下の実施例及び比較例のような方法で各々正極活物質を準備し、電気化学性能を評価した。
以下の実施例及び比較例のような方法で各々正極活物質を準備し、電気化学性能を評価した。
実施例
上述したような本発明の活物質再使用方法によって再使用活物質を収去した。正極板を打ち抜いた後に捨てられる正極スクラップを準備し、段階Ｓ３０で、熱処理を５５０℃で３０分間行った。段階Ｓ４０で、洗浄をＬｉＯＨを用いて１０分間行った。段階Ｓ５０では、再使用ＬＣＯのリチウム量に対して２ｍｏｌ％過量のリチウム量になるリチウム前駆体（Ｌｉ２ＣＯ３）を投入し、７５０℃で１５時間アニーリングした。
上述したような本発明の活物質再使用方法によって再使用活物質を収去した。正極板を打ち抜いた後に捨てられる正極スクラップを準備し、段階Ｓ３０で、熱処理を５５０℃で３０分間行った。段階Ｓ４０で、洗浄をＬｉＯＨを用いて１０分間行った。段階Ｓ５０では、再使用ＬＣＯのリチウム量に対して２ｍｏｌ％過量のリチウム量になるリチウム前駆体（Ｌｉ２ＣＯ３）を投入し、７５０℃で１５時間アニーリングした。
比較例１
再使用活物質ではなく、フレッシュなＬＣＯを使用した。
再使用活物質ではなく、フレッシュなＬＣＯを使用した。
比較例２
上述したような本発明の活物質再使用方法のうち、段階Ｓ３０の熱処理のみを行って、バインダー、導電材の除去及びＡｌ集電体を分離してＬＣＯ活物質を収去した。段階Ｓ３０は、実施例と同じ条件で行った。本発明の活物質再使用方法のうち、段階Ｓ４０の表面改質と段階Ｓ５０の結晶構造回復は行わなかった。
上述したような本発明の活物質再使用方法のうち、段階Ｓ３０の熱処理のみを行って、バインダー、導電材の除去及びＡｌ集電体を分離してＬＣＯ活物質を収去した。段階Ｓ３０は、実施例と同じ条件で行った。本発明の活物質再使用方法のうち、段階Ｓ４０の表面改質と段階Ｓ５０の結晶構造回復は行わなかった。
比較例３
比較例２に加え、上述したような本発明の活物質再使用方法のうちで段階Ｓ４０の表面改質をさらに行ってＬＣＯ活物質を収去した。即ち、表面改質は行うが、本発明の活物質再使用方法のうち段階Ｓ５０の結晶構造回復は行わなかった。段階Ｓ４０は、実施例と同じ条件で行った。
比較例２に加え、上述したような本発明の活物質再使用方法のうちで段階Ｓ４０の表面改質をさらに行ってＬＣＯ活物質を収去した。即ち、表面改質は行うが、本発明の活物質再使用方法のうち段階Ｓ５０の結晶構造回復は行わなかった。段階Ｓ４０は、実施例と同じ条件で行った。
実施例及び比較例で各々回収または準備した正極活物質を９６ｗｔ％、導電材であるカーボンブラックは２ｗｔ％、バインダーであるＰＶｄＦは２ｗｔ％に秤量してＮＭＰに混合してスラリーを作って正極を製造した後、セル（Ｃｏｉｎ Ｈａｌｆ Ｃｅｌｌ，ＣＨＣ）を製造し、電気化学性能を評価した。
図３は、実施例及び比較例の活物質を使用してセル評価を行った結果である。相異なる電流において、サイクル反復回数による容量を評価し、レート性能（ｒａｔｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を評価した。評価に使用した装備は、実験室で使用する通常の充放電実験装置を用いた。測定装置や方法による偏差はない。図３のグラフにおいて、横軸はサイクル（ｃｙｃｌｅ）回数であり、縦軸は容量（ｃａｐａｃｉｔｙ）である。
電圧は３～４．５Ｖ条件にし、初期フォーメーション充放電は０．２Ｃ／０．２Ｃで行った。セルを構成する電解液は、カーボネート系であって、エチレンカーボネート（ＥＣ）：エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）＝３：７にし、添加剤が一部入っているものを使用した。
図３を参照すると、再使用活物質であるが、本発明による表面改質と結晶構造回復を行っていない比較例２から最も低いレート性能を確認することができる。これは、段階Ｓ３０のような高温熱処理過程でバインダーと導電材がＣＯ２とＨ２Ｏになって除去されながら正極活物質表面のリチウムと反応してＬｉ２ＣＯ３、ＬｉＯＨを形成し、バインダーに存在していたＦと反応してＬｉＦまたは金属フッ化物を形成したためである。また、ＬＣＯの表面で熱分解によって生成されるＣｏ３Ｏ４によって低い電池特性を示すと判断される。
比較例３は、比較例２に加え、表面改質を行ったものである。比較例３は、表面に生成された反応物を洗浄によって除去したため、比較例２に比べてよい結果が得られたと評価される。
実施例は、比較例３に加え、アニーリングまでを行ったものである。活物質を回収する過程中で損失されたリチウムを補って結晶性を回復するために、Ｌｉ２ＣＯ３を添加してアニーリングした。工程中に発生するリチウムの損失量を補うことができるだけでなく、再生中に活物質の表面に現われ得る変形構造及びＣｏ３Ｏ４をさらにＬＣＯ結晶構造に還元させ、比較例１のフレッシュな活物質の初期特性よりも改善した結果を示すことが確認される。このように本発明によると、正極スクラップから活物質を直接再使用可能な水準で回収することができる。ＮＭＰ、ＤＭＣ、アセトン、メタノールのような有毒及び爆発危険のある溶媒を使用しなくてもよいので安全であり、熱処理、洗浄及び乾燥、アニーリングなどの簡単かつ安全な方法を用いるので、大量生産にも適する。
図４は、実施例及び比較例の活物質のＸＲＤパターンである。ＸＲＤパターンにおいて、横軸は２θ［ｄｅｇｒｅｅ］であり、縦軸は強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）である。ＸＲＤパターンは、実験室で使用する通常のＸ線回折装置を用いて得られた。例えば、Ｒｉｇａｋｕ社のＸ線回折分析機ＸＧ－２１００を使用して分析し得る。しかし、装置や方法による偏差はない。
図４の（ａ）は、比較例１、即ち、フレッシュなＬＣＯのＸＲＤパターンである。（ｂ）は、比較例２の活物質、（ｃ）は、比較例３の活物質のＸＲＤパターンである。（ｂ）、（ｃ）を（ａ）と比較すると、Ｃｏ３Ｏ４相が確認される。即ち、段階Ｓ３０の熱処理過程でＬＣＯの表面にＣｏ３Ｏ４が生成されることを確認することができる。
図４の（ｄ）は、実施例の活物質のＸＲＤパターンである。（ｃ）と（ｄ）を比較すると、段階Ｓ５０のアニーリングによってＣｏ３Ｏ４相はなくなり、結晶構造がＬＣＯに回復されたことが分かる。ＸＲＤパターンから回折ピークの位置を見ると、（ｄ）の結晶構造は（ａ）の結晶構造と類似である。したがって、本発明の実施例が比較例１のフレッシュな活物質水準に回復したことが分かる。このように本発明によると、正極スクラップから活物質を直接再使用可能な水準で回収することができる。
図５は、実施例及び比較例の活物質のＳＥＭ写真である。ＳＥＭ写真は、実験室で使用する通常のＳＥＭ装置で撮影した。例えば、ＨＩＴＡＣＨＩ社のｓ－４２００を用いて撮影し得る。しかし、測定装置や方法による偏差はない。
図５の（ａ）は、比較例１のフレッシュなＬＣＯのＳＥＭ写真であり、（ｂ）は、実施例の再使用活物質のＳＥＭ写真である。フレッシュなＬＣＯと比較すると、実施例の回収されたＬＣＯも同じ形状を示していることが分かる。また、ＬＣＯのみが観察されることから、バインダー及び導電材が高温の熱処理過程で除去されたことが分かる。したがって、空気中における熱処理のみで集電体から活物質が分離され、活物質の表面にバインダーや導電材がほとんど残っていないということが分かる。このように本発明によると、複雑な方法や有害な物質を使用しなくても集電体と活物質の分離が可能になり、活物質を環境に優しく回収することができる。酸を使用しなくても再使用可能であるため、中和工程や廃水処理工程が不要となり、環境への負担を緩和し、工程費用を節減することができる。
図６は、実施例及び比較例の活物質の粒度分布グラフである。粒度分布は、実験室で使用する通常の粒度分析機によって得ることができる。例えば、Ｈｏｒｉｂａ ＬＡ ９５０Ｖ２粒度分析機を用いて測定し得る。しかし、測定装置や方法による偏差がない。図６において、横軸は粒子サイズ（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ［μｍ］）であり、縦軸は体積％（ｖｏｌｕｍｅ［％］）である。
実施例及び比較例２、３で回収された活物質はいずれも比較例１のフレッシュなＬＣＯと粒度分布が類似である。同じ粒子の大きさを有する粒子の体積％が＋／－２％以内の範囲のみで差を有する場合、粒度分布が類似であると定義する。このように、本発明によると、活物質の粒度分布が変わらないため、初期特性がほぼそのまま維持され、これを再使用した電池特性が、フレッシュな活物質を使用した電池特性と類似の水準になると期待される。
このように本発明によると、単純であり、環境に優しくて経済的な方法を用いて正極スクラップを再使用することができ、このように製造されたＬＣＯ正極活物質をそのまま再使用してリチウム二次電池を製造するとしても電池の性能に問題がない。
以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
１０ 正極集電体
２０ 正極活物質層
３０ 正極シート
４０ 正極板
５０ 正極スクラップ
２０ 正極活物質層
３０ 正極シート
４０ 正極板
５０ 正極スクラップ
Claims (12)
- （ａ）集電体上のリチウムコバルト酸化物正極活物質層を含む正極スクラップを空気中で熱処理して前記活物質層中のバインダーと導電材を熱分解することで、前記集電体を前記活物質層から分離し、前記活物質層中の活物質を回収する段階と、
（ｂ）回収された活物質を水溶液状態で塩基性を示すリチウム化合物水溶液で洗浄して乾燥する段階と、
（ｃ）洗浄された活物質にリチウム前駆体を添加してアニーリングして再使用可能な活物質を得る段階と、を含む、正極活物質の再使用方法。 - 前記熱処理を３００～６５０℃で行うことを特徴とする、請求項１に記載の正極活物質の再使用方法。
- 前記リチウム化合物水溶液は、０％超過１５％以下のリチウム化合物を含むように製造され、前記洗浄を１時間以内で行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載の正極活物質の再使用方法。
- 前記洗浄は、前記回収された活物質を前記リチウム化合物水溶液に含浸すると共に攪拌することで行うことを特徴とする、請求項１に記載の正極活物質の再使用方法。
- 前記リチウム前駆体は、ＬｉＯＨ、Ｌｉ２ＣＯ３、ＬｉＮＯ３及びＬｉ２Ｏのいずれか一つ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の正極活物質の再使用方法。
- 前記リチウム前駆体を、前記活物質層に使用された原材料活物質中のリチウムと他の金属との割合に対し、損失されたリチウムの割合分を補い得る量で添加することを特徴とする、請求項１に記載の正極活物質の再使用方法。
- 前記リチウム前駆体を、リチウム添加量が０．００１～０．４モル比となる量で添加することを特徴とする、請求項６に記載の正極活物質の再使用方法。
- 前記アニーリングを４００～１，０００℃の空気中で行うことを特徴とする、請求項１に記載の正極活物質の再使用方法。
- 前記アニーリングの段階の温度は、前記リチウム前駆体の融点を超過する温度であることを特徴とする、請求項１に記載の正極活物質の再使用方法。
- 前記活物質層中の活物質を、粉末形態で回収し、前記バインダーや導電材の炭化によって生じる炭素成分が表面に残っていないことを特徴とする、請求項１に記載の正極活物質の再使用方法。
- 前記再使用可能な活物質は、前記活物質層中の活物質と類似の粒度分布を有することを特徴とする、請求項１に記載の正極活物質の再使用方法。
- （ａ）集電体上のリチウムコバルト酸化物正極活物質層を含む正極から正極板を打ち抜いた後に残った部分である正極スクラップを、空気中で、３００～６５０℃で熱処理して前記活物質層中のバインダーと導電材を熱分解することで、前記集電体を前記活物質層から分離し、前記活物質層中の活物質を回収する段階と、
（ｂ）回収された活物質を、水溶液状態で塩基性を示し、０％超過１５％以下のリチウム化合物を含んでいるリチウム化合物水溶液で洗浄して乾燥する段階と、
（ｃ）洗浄された活物質に、ＬｉＯＨ、Ｌｉ２ＣＯ３、ＬｉＮＯ３及びＬｉ２Ｏのうちいずれか一つ以上を添加し、４００～１，０００℃の空気中でアニーリングする段階と、を含む、正極活物質の再使用方法。
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