KR100860972B1 - 폐리튬이온 이차전지의 안정적 해체방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐리튬이온 이차전지의 안정적 해체방법에 관한 것으로, 폐리튬이온 이차전지를 해체하는 방법에 있어서, 폐리튬이온 이차전지의 외장케이스에 물리적 처리를 하여 상기 폐리튬이온 이차전지를 단락시키는 단계; 및 상기 단락된 폐리튬이온 이차전지를 방전용액에 6시간 내지 12시간 동안 침지하여 방전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 폐리튬이온 이차전지의 안정적 해체방법에 의해, 폐리튬이온 이차전지를 재활용하기 위한 물리적 처리과정에서 발생할 수 있는 화재 및 폭발의 위험성을 방지할 수 있다.
폐리튬이온 이차전지, 재활용, 안정적 해체

Description

폐리튬이온 이차전지의 안정적 해체방법{Safe method for dismantling spent lithium-ion secondary batteries}
본 발명은 폐리튬이온 이차전지의 안정적 해체방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐리튬이온 이차전지의 파쇄 시에 발생할 수 있는 화재 및 폭발을 미연에 방지하기 위한 폐리튬이온 이차전지의 안정적인 해체방법에 관한 것이다.
일반적으로 리튬이온 이차전지(lithium-ion secondary battery)는, 높은 작동 전압과 높은 에너지 밀도를 가질 뿐만 아니라 경량으로 구성이 가능하여 대부분의 소형 휴대장비의 동력원으로 사용되고 있다. 현재 리튬이온 이차전지는 휴대폰, 노트북, 디지털카메라, 캠코더 등의 통신, 정보기기 등에 광범위하게 사용되고 있으며 그 수요가 크게 증가하고 있다.
이러한 리튬이온 이차전지는, 양극, 음극, 유기전해질(organic electrolyte) 및 유기분리막(organic separator) 등으로 구성되어 있으며, 양극활물질(active materials)로는 가역성(reversibility)이 우수하고, 낮은 자가방전율, 고용량, 고에너지밀도 및 합성이 용이한 리튬코발트 산화물(LiCoO2)이 상용화되어 있다.
이와 같은 구성으로 이루어진 리튬이온 이차전지는, 충방전 사이클이 우수하고, 비교적 수명이 길기는 하지만, 그 수명이 대략 충방전 500회 정도인 소모품이기 때문에 사용량의 증가와 함께 폐기량도 증가하고 있다.
따라서, 리튬이온 이차전지의 유기전해액, 유기분리막, 그리고 외장재 등으로 사용되는 플라스틱류는 단순 폐기처분이 곤란한 환경유해물질이므로 환경보전의 측면에서 재활용이 요구된다.
한편, 리튬이온 이차전지의 양극활물질로 사용되는 리튬코발트 산화물 중, 리튬과 코발트는 비교적 고가인 유가금속이므로 재활용시 상당한 경제적인 이익이 예상된다.
그러므로, 수명이 다한 폐리튬이온 이차전지를 효과적으로 폐기처리하여 환경오염을 방지하고, 부가가치가 높은 유가금속을 회수하여 재활용할 수 있는 폐리튬이온 이차전지의 재활용기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나, 폐리튬이온 이차전지는 과충전시 생성되는 금속리튬이 전지 해체시 공기 중의 수분과 만나 급격히 산화하여 폭발할 가능성이 있는 등의 이유로 현재까지 폐리튬이온 이차전지의 재활용이 극히 미비한 수준이다.
일부 연구에서는 폐리튬이온 이차전지의 파쇄시 발생할 수 있는 화재 및 폭발의 문제점을 해결하기 위하여, 건식법으로 고온의 로에서 열처리하여 화재발생의 문제점을 저감시키거나 또는 제습 환경에서의 물리적 처리나 액체 질소 등을 이용한 안정화 공정 등에 대한 연구가 일부 이루어졌지만 아직 실용화는 이루어지지 않고 있는 실정이다.
이에 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 폐리튬이온 이차전지로부터 리튬과 코발트 등의 유가금속을 간편하고 안전하게 추출할 수 있도록 폐리튬이온 이차전지의 안정적인 해체방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 폐리튬이온 이차전지의 안정적 해체방법에 의하면, 폐리튬이온 이차전지를 재활용하기 위한 물리적 처리과정에서 발생할 수 있는 화재 및 폭발의 위험성을 방지할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 폐리튬이온 이차전지의 안정적 해체방법에 의하면, 폐 리튬이온 이차전지를 효율적으로 안전하게 해체하여 폐리튬이온 이차전지를 경제적으로 재활용할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 폐리튬이온 이차전지의 안정적 해체방법은, 폐리튬이온 이차전지 해체방법에 있어서, 폐리튬이온 이차전지의 외장케이스에 물리적 처리를 하여 상기 폐리튬이온 이차전지를 단락시키는 단계; 및 상기 단락된 폐리튬이온 이차전지를 방전용액에 6시간 내지 12시간 동안 침지하여 방전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폐리튬이온 이차전지를 방전시키는 단계 이후에 상기 방전된 폐리튬이온 이차전지를 파쇄시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 방전용액은 H2O를 이용하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하며, 이를 통하여 본 발명의 목적과 특징이 더욱 명확하게 될 것이다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 사용되는 리튬이온 이차전지의 이미지이고, 도 1b는 본 발명의 실시예에 사용되는 리튬이온폴리머 이차전지의 이미지이다. 본 발명의 실시예에 사용되는 폐리튬이온 이차전지는 일반적으로 외장케이스의 재질이 철(Fe)과 니켈(Ni)의 합금인 스테인레스로 이루어진 리튬이온 이차전지와, 일반적 으로 외장케이스의 재질이 알루미늄(Al)인 리튬이온폴리머 이차전지 모두를 포함한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 이차전지의 방전일자에 대한 전압변화를 측정한 그래프이며, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온폴리머 이차전지의 방전일자에 대한 전압변화를 측정한 그래프이다. 도 2a는 리튬이온 이차전지의 외장케이스에 물리적으로 처리를 한 경우(uncase)와 리튬이온 이차전지의 외장케이스에 물리적으로 처리를 하지 않은 경우(case) 각각에 대해 증류수를 방전용액으로 사용하여 방전일자에 따른 리튬이온 이차전지의 전압변화를 측정한 것이다. 도 2a에 도시된 바와 같이 리튬이온 이차전지의 외장케이스에 물리적으로 처리를 한 경우(uncase)에는 1일차에 0.2V 정도로 전압강하가 발생하는 것을 볼 수 있으며, 외장케이스의 물리적인 처리 여부에 따라 방전용액에서의 방전속도가 빨라지는 것을 확인하였다.
도 2b 역시 리튬이온폴리머 이차전지의 외장케이스에 물리적으로 처리를 한 경우(uncase)와 리튬이온폴리머 이차전지의 외장케이스에 물리적으로 처리를 하지 않은 경우(case) 각각에 대해 증류수를 방전용액으로 사용하여 방전일자에 따른 리튬이온폴리머 이차전지의 전압변화를 측정한 것이다. 도 2b에 도시된 바와 같이 리튬이온폴리머 이차전지의 외장케이스에 물리적으로 처리를 한 경우(uncase)에는 1일차에 0.8V 정도로 전압강하가 발생하는 것을 볼 수 있으며, 리튬이온폴리머 이차전지의 경우에도 리튬이온 이차전지에서처럼 외장케이스의 물리적인 처리 여부에 따라 방전용액에서의 방전속도가 빨라지는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 폐리튬이온 이차전지의 안정적 해체방법에 의하면, 먼저, 폐리튬이온 이차전지의 외장케이스에 물리적으로 처리를 하여 상기 폐리튬이온 이차전지를 단락시킨다. 여기서 상기 폐리튬이온 이차전지의 외장케이스에 물리적으로 처리를 한다는 것은, 방전용액이 상기 폐리튬이온 이차전지의 내부로 빠르게 침투할 수 있도록 상기 폐리튬이온 이차전지의 외장케이스에 흠집을 냄과 동시에 상기 폐리튬이온 이차전지의 외장케이스에 충격을 가함으로써 상기 폐리튬이온 이차전지를 손상시켜 단락시키는 것이다.
본 발명의 실시예에서는 상기 폐리튬이온 이차전지의 외장케이스에 롤 크러셔(roll crusher)를 이용하여 흠집을 내고 충격을 가하여 물리적 처리를 하였으며, 상기 방전용액이 상기 폐리튬이온 이차전지의 내부로 빠르게 침투할 수 있도록 상기 폐리튬이온 이차전지의 외장케이스에 효과적으로 흠집을 냄과 동시에 충격을 가하여 상기 폐리튬이온 이차전지를 손상시켜 단락시킬 수 있다면 어떠한 장치를 사용하여도 무방하다.
아래의 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐리튬이온 이차전지의 방전실험시 방전일자별 방전용액 보충량 및 방전용액 내의 온도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 표 1을 참조하여 자세히 설명하면, 먼저, 폐리튬이온 이차전지를 측량하여 각각 47kg, 94kg, 140kg을 준비하고, 폐리튬이온 이차전지의 외장케이스에 물리적으로 처리를 하여 상기 폐리튬이온 이차전지를 단락시킨다. 그리고 수돗물을 방전용액으로 사용하여 6시간 내지 12시간 동안 폐리튬이온 이차전지를 침지하고, 상기 방전용액을 재활용하는 방법으로 방전과정에서 손실(증발 및 탈수과정 후)된 방전 용액을 보충한 뒤 동일 실험을 반복하였다. 본 발명의 실시예에서 방전용액으로 사용한 수돗물의 양은 120kg으로, 폐리튬이온 이차전지와 방전용액의 비율이 각각 0.4:1(전지 47kg:수돗물 120kg), 0.8:1(전지 94kg:수돗물 120kg), 1.2:1(전지 140kg:수돗물 120kg)이다.
전지:방전용액 비율 손실 후 무게 보충한 무게 온도
1일차 0.4:1 - - 30℃
0.8:1 - - 40℃
1.2:1 - - 60℃
2일차 0.4:1 114 kg 6 kg (5%) 34℃
0.8:1 106 kg 14 kg (11.7%) 50℃
1.2:1 100 kg 20 kg (16.7%) 70℃
3일차 0.4:1 112 kg 8 kg (6.7%) 37℃
0.8:1 104 kg 16 kg (13.4%) 55℃
1.2:1 101 kg 19 kg (15.8%) 68℃
4일차 0.4:1 115 kg 5 kg (4.2%) 33℃
0.8:1 110 kg 10 kg (8.3%) 49℃
1.2:1 97 kg 23 kg (19.2%) 74℃
표 1에서 볼 수 있는 바와 같이 폐리튬이온 이차전지의 방전실험이 일자별로 진행됨에 따라, 폐리튬이온 이차전지 대비 방전용액의 비율이 높을수록 방전작업과정에서 손실된 방전용액의 손실량 및 방전용액의 온도가 낮은 것을 알 수 있다.
그리고, 상기 방전된 폐리튬이온 이차전지를 대상으로 물리적 파쇄처리 실험을 실시한 결과 화재발생의 원인이 되는 쇼트현상이 발생하지 않았으며, 또한 파쇄 후 폐리튬이온 이차전지 파쇄물들의 온도는 상온과 거의 차이가 없었다. 이와 같이 상기 폐리튬이온 이차전지의 파쇄시 화재의 발생 여부 및 화재발생 인자에 대한 안정성을 확보함으로써 상기 폐리튬이온 이차전지의 안정적 해체가 가능함을 확인하였다.
본 발명의 실시예에서 방전용액으로 산성 용액과 알칼리성 용액을 사용하지 않고 단지 H2O만을 사용하였으며, 본 발명의 실시예에 따른 폐리튬이온 이차전지의 외장케이스에 물리적으로 처리를 한 상기 폐리튬이온 이차전지를 H2O에 침지하여 방전이 빠르게 진행되는 것을 확인하였다. 따라서, 방전용액으로 산성 용액과 알칼리성 용액을 사용하지 않아도 되므로 상기 폐리튬이온 이차전지의 해체 작업시의 위험 요인을 제거할 수 있다.
그리고 상기 폐리튬이온 이차전지의 외장케이스에 물리적으로 처리를 하여 단락시킨 폐리튬이온 이차전지를 방전용액에 6시간 내지 12시간 동안 침지하는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 상기의 폐리튬이온 이차전지의 안정적 해체방법은 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않으며 그 발명의 기술범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 사용되는 리튬이온 이차전지의 이미지이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 사용되는 리튬이온폴리머 이차전지의 이미지이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 이차전지의 방전일자에 대한 전압변화를 측정한 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온폴리머 이차전지의 방전일자에 대한 전압변화를 측정한 그래프이다.

Claims (4)

  1. 폐리튬이온 이차전지 해체방법에 있어서,
    폐리튬이온 이차전지의 외장케이스에 물리적 처리를 하여 상기 폐리튬이온 이차전지를 단락시키는 단계; 및
    상기 단락된 폐리튬이온 이차전지를 방전용액에 6시간 내지 12시간 동안 침지하여 방전시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐리튬이온 이차전지의 안정적 해체방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 폐리튬이온 이차전지를 방전시키는 단계 이후에 상기 방전된 폐리튬이온 이차전지를 파쇄시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐리튬이온 이차전지의 안정적 해체방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 방전용액은 H2O를 이용하는 것을 특징으로 하는 폐리튬이온 이차전지의 안정적 해체방법.
  4. 삭제
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