KR101275849B1 - 리튬이온전지의 재생공정을 위한 전처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬이온전지의 재생공정을 위한 전처리방법에 관한 것으로서, (1) 전해질, 분리막, 전극 복합체 및 집전체를 포함하고 있는 리튬이온전지 폐기물을 5 내지 15 mm의 크기로 파쇄하는 단계; (2) 파쇄물을 물로 세척하여 전해질을 제거한 후, 전해질이 제거된 파쇄물을 비중분리하여 분리막을 제거하는 단계; 및 (3) 전해질 및 분리막이 제거된 파쇄물을 1~4M 농도의 황산 용액으로 처리하여 파쇄물 중 집전체에 부착되어 있는 전극 복합체를 집전체와 박리시켜 회수하는 단계를 포함하는 본 발명의 전처리방법에 의하면, 사전 해체분류 없이 대량 파쇄된 리튬이온전지 폐기물로부터 양극 활물질을 포함한 전극 복합체를 안전하게 효율적, 경제적 및 친환경적으로 회수할 수 있다.

Description

리튬이온전지의 재생공정을 위한 전처리방법 {PRETREATMENT METHOD FOR RECYCLING OF LITHIUM ION BATTERIES}

본 발명은 폐리튬이온전지, 및 리튬이온전지의 생산과정에서 발생하는 공정 스크랩(scrap)을 포함하는 다양한 리튬이온전지 폐기물의 재생(recycling)을 위한 습식 전처리방법에 관한 것이다.

일반적으로, 폐리튬이온전지, 및 리튬이온전지의 생산과정에서 발생하는 공정 스크랩을 포함하는 리튬이온전지 폐기물로부터 Li, Mn, Co, Ni 등의 유가금속을 회수하기 위한 재생공정이 수행되는데, 보다 원활한 유가금속의 회수를 위해 상기 재생공정에 앞서, 해당 고체 폐기물로부터 유가금속을 다량 함유하는 전극 복합체(composite, 양극 또는 음극활물질 + 도전제 + 바인더)를 분리해 내기 위한 전처리가 필수적으로 요구된다.

이러한 전처리는, 전지의 단락으로 인한 폭발 또는 발화가 일어나지 않도록 폐리튬이온전지를 방전시키는 공정; 전지를 구성하는 양극, 음극, 분리막, 전지 케이스를 사전에 분리하는 사전 해체분류 작업을 통해 전극(알루미늄 또는 구리 집전체, 및 상기 집전체 위에 형성된 전극 복합체층으로 이루어짐)만을 분리하는 공정; 전극을 구성하는 상기 집전체와 전극 복합체를 박리하는 공정; 및 여러 고형물들을 분급 및 선별하는 공정 등을 포함한다.

먼저, 전처리의 일종으로서 폐리튬이온전지를 방전시키는 기술을 살펴보면, 5~10% 농도의 NaCl 수용액에 폐전지를 침지시켜 전지를 부식 방전시키는 기술이 알려져 있다 (국제특허공개 제WO2007/088617호, 중국특허공개 제101519726호, 및 중국특허공개 제101318712호 참조). 그러나, 리튬이온전지의 케이스가 알루미늄, 스테인레스 스틸(SUS) 또는 플라스틱 재질로서 다양함에도 불구하고, 기존에는 케이스 재질에 따른 구분 없이 단일농도의 NaCl 수용액에서 일괄적으로 부식을 진행함으로써 대량의 수소 가스 및 열이 발생하거나, Al(OH)₃ 또는 Fe(OH)₃와 같은 부식 산물이 다량 발생하거나, SUS 케이스를 갖는 전지가 완전 방전이 되지 않는 등 안전성 관련한 문제점이 있었다.

또한, 사전 해체분류 작업을 통해 유가금속을 다량 함유하는 전극 복합체를 포함하는 전극, 특히 양극을 다른 고형물로부터 자동 또는 수동으로 해체, 분리하는 전처리공정이 일본특허공개 제2005-327482호, 제2009-54595호 및 제2008-204755호, 및 중국특허공개 제101381817호에 개시되어 있으나, 이 경우 자동으로라도 일일이 구성성분들을 해체분류시켜야 하는 번거러움이 있어 대량처리가 힘들고 비용이 상승한다는 단점이 있었다.

나아가, 분리된 전극을 처리하여 전극을 구성하는 집전체(양극의 경우 알루미늄 호일, 음극의 경우 구리 호일)와 전극 복합체를 서로 간에 박리하는 전처리공정으로서, 일본특허공개 제2005-327482호는 pH 1~3의 황산 용액에 양극을 30~90분 동안 침지시키는 것을 개시하고 있으나, 이 경우 집전체와 전극 복합체 간에 만족스러운 박리가 이루어지지 않아 전극 복합체를 높은 회수율로 얻기가 힘들고; 중국특허공개 제101381817호는 N-메틸피롤리돈(NMP)에 전극을 침지시키는 것을, 그리고 일본특허공개 제2008-204755호는 유기산인 메탄술폰산을 전극에 대해 분사(spray)한 후 초음파를 인가하는 것을 개시하고 있는데, NMP 및 메탄술폰산과 같은 유기물의 사용이 환경적으로 바람직하지 않을 뿐만 아니라, 일본특허공개 제2008-204755호의 경우 비싼 에칭장비의 도입에 기인하여 비용이 높아진다는 단점을 갖는다.

한편, 전처리공정의 일환으로서 리튬이온전지 폐기물에 포함되어 있는 전해질(전해액 + LiPF₆)을 제거하는 방법이 제시되어 있다. 예컨대, 일본특허공개 제2008-204755호는 전지 케이스에 구멍을 낸 후 85℃에서 30분간 감압/가열하여 전해액 구성성분 중 하나인 디메틸카보네이트(DMC)를 대기 중으로 휘발시키고, 102, 160, 300℃ 단계별로 온도를 높여 에틸메틸카보네이트(EMC, 전해액 구성성분 중 하나), LiPF₆, 분리막 및 바인더를 순차적으로 열분해하여 제거하는데, 이 방법은 열처리로 인해 에너지 소모가 많고 노(furnace) 등 고가의 열처리 장비를 반드시 필요로 하였다. 또한, 일본특허공개 제2009-54595호는 전지 케이스에 구멍을 낸 후 세정제를 주입하여 전해질을 세척해 내는 방법을 개시하고 있으나, 이 방법 또한 대량처리가 힘들 뿐만 아니라 가득 차있는 전지 케이스 내부에 세정제를 주입하여도 세척이 쉽지 않다는 문제점이 있다.

국제특허공개 제WO2007/088617호 중국특허공개 제101519726호 중국특허공개 제101318712호 일본특허공개 제2009-54595호 일본특허공개 제2005-327482호 중국특허공개 제101381817호 일본특허공개 제2008-204755호

따라서, 본 발명의 목적은 리튬이온전지의 재생공정을 위한 전처리를 수행함에 있어서, 사전 해체분류 없이 대량 파쇄된 리튬이온전지 폐기물로부터 양극 활물질(active material)을 포함한 전극 복합체를 안전하게 효율적, 경제적 및 친환경적으로 회수하는 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

(1) 전해질, 분리막, 전극 복합체 및 집전체를 포함하고 있는 리튬이온전지 폐기물을 5 내지 15 mm의 크기로 파쇄하는 단계;

(2) 파쇄물을 물로 세척하여 전해질을 제거한 후, 전해질이 제거된 파쇄물을 비중분리하여 분리막을 제거하는 단계; 및

(3) 전해질 및 분리막이 제거된 파쇄물을 1~4M 농도의 황산 용액으로 처리하여 파쇄물 중 집전체에 부착되어 있는 전극 복합체를 집전체와 박리시켜 회수하는 단계

를 포함하는, 리튬이온전지 재생공정의 전처리방법을 제공한다.

본 발명에 따른 리튬이온전지 재생공정의 전처리방법에 의하면, 사전 해체분류 없이 리튬이온전지를 대량 파쇄함으로써 양극 활물질이 함유된 전극 복합체를 대량으로, 그리고 저비용으로 회수할 수 있다.

또한, 폐전지의 종류에 따라 적절한 농도의 NaCl 수용액을 이용하여 부식 방전시킴으로써 격렬한 수소가스 발생이나 미방전 셀이 억제되어 안전한 방전이 가능하고 Al(OH)₃ 및 Fe(OH)₃의 발생을 최소화할 수 있어 조업적으로 유리하다. 나아가, 황산처리를 통해 알루미늄 및 구리의 용출은 최대한 억제하면서 유가금속 회수(후속 재생공정)에 필요한 전극 복합체를 99% 이상의 높은 박리율(stripping rate)로 집전체와 박리 및 분리할 수 있어 리튬이온전지로부터 안정적인 순도를 가진 유가금속 또는 금속염을 안전하고 효율적인 방법으로 회수할 수 있다.

또한, 본 발명의 방법은 수세를 통해 폐전지에 포함되어 있는 전해질을 간단히 친환경적으로 제거할 수 있다는 이점을 갖는다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 리튬이온전지 폐기물 습식 전처리공정의 개략적인 흐름도이다.

본 발명의 리튬이온전지 재생공정의 전처리방법은 전해질, 분리막, 전극 복합체 및 집전체를 포함하고 있는 다양한 형태의 리튬이온전지 폐기물로부터 유가금속을 회수하기 위한 재생공정에 앞서 폐기물 중의 전극 복합체를 분리해 내는 것으로서,

(1) 리튬이온전지 폐기물을 5 내지 15 mm의 크기로 파쇄하는 단계;

(2) 파쇄물을 물로 세척하여 전해질을 제거한 후, 전해질이 제거된 파쇄물을 비중분리하여 분리막을 제거하는 단계; 및

(3) 전해질 및 분리막이 제거된 파쇄물을 1~4M 농도의 황산 용액으로 처리하여 파쇄물 중 집전체에 부착되어 있는 전극 복합체를 집전체와 박리시켜 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 대상으로 하는 리튬이온전지 폐기물은 폐리튬이온전지 뿐만 아니라 리튬이온전지의 생산과정에서 발생하는 공정 스크랩(scrap)을 포함한다.

또한, 본 발명의 전처리방법은 상기 단계 (1) 내지 (3)을 전후로 하여 다양한 처리단계를 포함할 수 있는데, 바람직하게는, 단계 (1)의 파쇄에 앞서, 리튬이온전지 폐기물 중 폐리튬이온전지를 0.5~10% 농도의 염화나트륨(NaCl) 수용액으로 처리하여 부식 방전시킬 수 있고; 단계 (1)의 파쇄 이후 단계 (2)의 전해질 제거에 앞서, 리튬이온전지 폐기물이 스테인레스 스틸(SUS)을 추가로 포함할 경우 자력선별(magnetic separation)에 의해 파쇄물로부터 SUS를 제거한 후, 파쇄물을 분급(1차 분급)하여 1차적으로 전극 복합체 분말을 분리해 낼 수 있다.

이하, 본 발명에 따르는 바람직한 습식 전처리방법을 도 1을 참조하여 단계별로 구분하여 설명한다.

(a) 방전 단계

다양한 리튬이온전지 폐기물 중 폐리튬이온전지를 0.5~10% 농도의 NaCl 수용액으로 처리하여 부식시킴으로써 대기 중에서 안전한 상태로 방전시킨다.

폐전지를 부식 방전시키는 경우에는, 수소가스 발생량과 수산화물의 침전 발생량을 최소로 감소시키기 위하여, 폐전지의 종류에 따라 NaCl 수용액의 농도 및 처리시간을 적절히 조절하는 것이 바람직하다.

구체적으로,

i) 알루미늄 케이스를 포함하는 리튬이온전지는 0.5~4% 농도의 NaCl 수용액으로 상온에서 12~36시간, 더욱 바람직하게는 0.7~1% 농도의 NaCl 수용액으로 상온에서 22~26시간 부식시켜 방전할 수 있으며;

ii) 스테인레스 스틸(SUS) 케이스를 포함하는 리튬이온전지는 6~10% 농도의 NaCl 수용액으로 상온에서 12~36시간, 더욱 바람직하게는 7~9% 농도의 NaCl 수용액으로 상온에서 22~26시간 부식시켜 방전할 수 있으며;

iii) 플라스틱 케이스를 포함하는 리튬이온전지는 충전단자(charging terminal)가 작은 관계로 부식이 느리게 진행되는 이유로 6~10% 농도의 NaCl 수용액으로 상온에서 36~60시간, 더욱 바람직하게는 7~9% 농도의 NaCl 수용액으로 상온에서 46~50시간 부식시켜 방전할 수 있다.

이와 같은 부식 단계에서

i) 알루미늄 케이스를 포함하는 사각전지(prismatic battery)는 충전단자 부위의 케이스 모서리가 수산화알루미늄(Al(OH)₃)으로 부식되고; 코팅된 알루미늄 케이스를 포함하는 파우치셀(pouch cell)은 충전단자 부위가 수산화알루미늄으로 부식되며;

ii) SUS 케이스를 포함하는 원통형전지(cylindrical battery)는 양극 및 양극을 둘러싼 원형 플라스틱 모서리(edge) 부분이 수산화철(Fe(OH)₃)로 부식되며;

iii) 플라스틱 케이스를 포함하는 핸드폰용 전지는 충전단자 부분이 부식되어 완전한 방전이 이루어지게 된다.

특히, 충전된 리튬이온 폐전지를 방전시키기 위해 고농도 NaCl 수용액에서 일괄적으로 부식시킴으로써 대량의 수소 가스 및 열이 발생되거나 SUS 케이스를 사용한 전지가 완전방전이 되지 않아 안전문제가 대두되었던 종래의 방법과는 달리, 본 발명은 리튬이온전지의 종류에 따라 NaCl의 농도 및 처리시간을 적절히 조절함으로써 격렬한 수소가스 발생과 미방전 셀을 억제하는 안전한 100% 부식 방전을 가능하게 하고, Al(OH)₃ 및 Fe(OH)₃의 발생을 최소화할 수 있어 조업적으로 유리하다.

본 단계에서 침전된 수산화물(Al(OH)₃, Fe(OH)₃ 등)은 주기적으로 여과시키는 방식으로 회수하는 것이 좋다.

(b) 파쇄 단계

상기 단계에서 완전히 방전된 폐리튬이온전지, 및 공정 스크랩을 포함하는 리튬이온전지 폐기물은 5 내지 15 mm의 크기로 파쇄(shredding)된다.

상기 파쇄는 파쇄기 등을 이용하여 수행되는 것이 바람직하며, 상기 크기 범위로 파쇄함으로써 최종적으로 회수되는 전극 복합체에 Al 및 Cu(양극 및 음극 집전체 성분)가 혼입되는 것을 최소화할 수 있다. 5 mm 미만의 크기로 파쇄하면 최종적으로 회수된 전극 복합체에 Al 및 Cu가 다량 혼입되고, 15 mm를 넘는 크기로 파쇄하면 후속 공정인 박리 단계에서의 처리 용량(volume)이 커지기 때문에 비효율적이다.

(c) 자력선별 단계

리튬이온전지 폐기물이 스테인레스 스틸(SUS)을 추가로 포함할 경우 파쇄물로부터 자력선별(magnetic separation)에 의해 스테인레스 스틸(SUS)이 선별 제거된다.

(d) 분급(1차 분급) 단계

SUS가 제거된 파쇄물은 분급과정, 바람직하게는 시브(sieve)에 의한 분급에 의해 미세 전극 복합체 분말과 기타 성분(양극, 음극, 분리막)의 큰 분획으로 분리되어, 파쇄물로부터 1차적으로 전극 복합체 분말이 회수된다.

(e) 수세 단계

SUS가 제거된 파쇄물은 물에 침지시켜 수세(rinse)하는 방식에 의해 수용성 유기물인 전해액(디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 에틸렌카보네이트(EC) 등)과 리튬염(LiPF₆)이 용해된 전해질 수세액, 및 그 외 용해되지 않은 파쇄물로 분리되어, 파쇄물로부터 전해질이 제거된다.

이때 전해액 구성성분들은 물에 쉽게 녹는 성질을 가져 수세로 용이하게 처리가능하며 (예: DMC의 수용해도 139g/L), LiPF₆의 경우는 수세액 중 P 성분분석을 통해 제거여부를 쉽게 확인할 수 있는데 99% 이상 제거가능하다.

여과 및 농축된 수세액은 분별증류를 거쳐 DMC, DEC, EC 등 유기물로 분류될 수 있으며, 전해질에 포함된 Li⁺는 탄산리튬염의 형태로 회수될 수 있다.

(f) 비중분리 단계

또한, 전해질이 제거된 파쇄물을 바람직하게는 수위단차(water level)가 설치된 수세탱크(rinse tank)를 이용하여 비중분리함으로써 파쇄물 중의 분리막이 제거된다.

(g) 박리 단계

상기 단계에서 SUS, 전해질 및 분리막이 제거된 파쇄물을 1~4M 농도의 황산 용액으로 처리함으로써 파쇄물 중 집전체에 부착되어 있는 전극 복합체를 집전체와 박리시킨다.

이때, 1~4M 농도의 황산 용액에 파쇄물을 10분 내지 5시간 동안 침지(soaking)시킬 수 있으며, 바람직하게는 1.5~2.5M 농도의 황산 용액에 2~4시간 동안 침지시켜 처리할 수 있다. 황산 용액의 농도가 상기 범위인 경우에는 전극 복합체가 알루미늄과 구리 호일(foil)로 구성된 집전체와 상온에서 용이하게 분리되고 집전체와 전지 케이스로부터 Al^{3 +}, Cu^{2 +}가 대량 용출되는 현상을 억제할 수 있는 반면에, 황산 용액의 농도가 1M 미만인 경우에는 전극 복합체의 박리율이 저하되고, 4M을 초과하는 경우에는 박리율은 향상되나 Al^{3 +} 및 Cu^{2 +} 성분의 용출량이 증가한다.

파쇄물을 황산에 침지하는 시간은 온도와 반비례하나, 에너지 소모량을 고려하여 상온에서 침지시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 황산 처리에 따르면, 유가금속 회수에 필요한 전극 복합체를 99%의 높은 박리율로 집전체와 박리 및 분리할 수 있으며, 장기간에 걸친 과충전으로 인하여 전극 복합체가 부착되어 있던 전지의 잔여 분리막도 전극 복합체와 분리될 수 있다.

본 발명의 황산 처리 결과, 해당 파쇄물은 Li⁺, Co^{3 +}, Ni^{2 +} 및 Mn^{2 +} 중 1종 이상의 금속이온이 소량 용출된 황산용액; 및 전극 복합체, 집전체, Al 케이스, 잔여 분리막 등이 포함된 고형물로 분리된다.

이 중, 상기 금속이온이 용출된 황산용액은 유가금속을 회수하기 위한 용매추출 등의 후속 공정에 사용될 수 있다.

(h) 분급(2차 분급) 단계

상기 단계에서 황산에 용해되지 않은 고형물은 분급과정, 바람직하게는 시브(sieve)에 의한 분급을 거치게 되며, 이로써 고형물 중 존재하는 전극 복합체가 최종적으로 회수된다.

이때 분급에 의해, 시브 하부에는 메쉬(mesh) 크기보다 작은 전극 복합체가 위치하게 되고, 시브 상부에는 메쉬 크기보다 큰 전극 복합체, 잔여 분리막, 집전체 및 Al 케이스 등을 포함하는 파쇄물이 남게 된다. 이 중, 상기 시브 상부의 파쇄물을 수위단차가 설치된 수세탱크를 이용하여 비중분리함으로써 전극 복합체, 분리막, 집전체와 Al 케이스 각각으로 분리할 수 있다.

분리된 집전체는 제련소로 이송될 수 있고, 분리막은 압축되어 플라스틱 제조업체로 이송될 수 있다.

이와 같이 상기의 단계들을 거치면서 최종 분리된 전극 복합체는 유가금속을 회수하기 위한 재생 공정 중 침출(leaching) 공정의 원료로 사용될 수 있다.

본 발명에 따르는 리튬이온전지의 재생공정을 위한 전처리방법은, 방전된 폐전지를 절단한 후 그 내용물에서 양극을 일일이 분리 및 수집하는 번거로운 과정을 거쳐 산처리 또는 유기용매로 처리하는 방식으로 양극 활물질을 회수하는 종래의 방법과는 달리, 리튬이온전지의 사전 해체분류 없이 대량 파쇄 및 전극 복합체 분리가 가능하므로 그 방법이 매우 간단하고 저비용 생산을 가능하게 한다.

특히, 충전된 리튬이온 폐전지를 방전시키기 위해 단일농도 NaCl 수용액에서 일괄적으로 부식시킴으로써 대량의 수소 가스 및 열이 발생되거나 SUS 케이스를 사용한 전지가 완전방전이 되지 않아 안전문제가 대두되었던 종래의 방법과는 달리, 본 발명의 방법에 의하면, 리튬이온전지의 종류에 따라 NaCl의 농도 및 처리시간을 적절히 조절함으로써 격렬한 수소가스 발생과 미방전 셀을 억제하는 안전한 부식 방전이 가능하며, Al(OH)₃ 및 Fe(OH)₃의 발생을 최소화할 수 있어 조업적으로 유리하다.

또한, 전지를 대량 파쇄한 후 SUS(스테인레스 스틸) 케이스는 자석으로, 전해질(electrolyte)과 분리막은 물을 이용하여 분리하고, 또한 수세탱크에 수위단차(water level)를 설치하여 분리막을 제거하므로 그 과정이 매우 간단하고, 건식으로 전해질 및 분리막을 제거하는 방법(일본특허공개 제2005-26088호)과 동일한 환경친화적인 효과를 나타내면서도 에너지 절약 측면에서는 훨씬 우월하다.

또한, 전극 복합체와 집전체를 박리 및 분리하기 위한 황산처리 단계에서, 종래와 같이 환경을 오염시키는 유기물을 사용하는 사전세척(prewashing) 없이 특정 농도의 황산으로 처리함으로써 Al과 Cu의 용출은 최대한 억제하고 전극 복합체의 박리율은 99%로 극대화시키고, 안정적인 전극 복합체를 상대적으로 저렴한 가격으로 대량 제조할 수 있다.

이하 본 발명을 하기 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명의 범위가 실시예에 의하여 국한되는 것은 아니다.

실시예 1: NaCl 농도에 따른 부식 방전 평가

알루미늄 케이스, 스테인레스 스틸(SUS) 케이스 또는 플라스틱 케이스를 갖는 전지 각각에 대해 다양한 농도의 NaCl 수용액으로 상온에서 부식 방전을 수행하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다 (각각의 경우에 대해서 10개씩 수행한 후 평균값 도출함).

상기 표 1의 실험결과로부터 알 수 있듯이, 알루미늄 케이스 전지의 경우 NaCl 농도가 5% 이상일 경우, 충전전지 부식초기에 알루미늄 케이스와 NaCl 용액이 격렬하게 반응하면서 다량의 수소가스가 발생되고 많은 열량이 방출되어 안전성 문제가 대두되었으며, Al(OH)₃ 침전량 또한 큰 폭으로 증가되었다.

한편, SUS 케이스 전지의 경우는 알루미늄 케이스 전지의 경우 보다 훨씬 느리게 부식이 진행되었고, 6% 이상 농도의 NaCl 수용액에서도 12시간 미만으로 부식시킬 경우 완전방전이 되지 않을 확률이 높아 파쇄시 발화될 위험이 있었으며, 특히 6% 미만 농도의 NaCl 수용액의 경우 48시간의 장시간 동안 부식시켜야 완전방전이 이루어졌다. 또한, 8% 이하 농도의 NaCl 수용액에서 Fe(OH)₃ 침전량은 NaCl 수용액의 농도에 크게 영향을 받지 않았다.

또한, 플라스틱 케이스 전지는 케이스 내부에 사각셀 또는 파우치셀이 장착되어 있어서 부식 가능한 부위인 충전단자가 매우 작으므로 부식과정이 매우 느리게 진행되어 보다 고농도의 NaCl 수용액에서 장시간 방전시켜야 했다.

실시예 2: 황산 농도에 따른 박리 평가

집전체와 양극 복합체가 박리되는 황산 용액 농도 조건을 확인하기 위해, 리튬이온전지 제조과정의 폐기물인 끝자락(양극 활물질을 포함하는 스크랩) 70g을 0.85 또는 2M 농도의 황산 용액에 상온에서 3시간 동안 침지시켜 알루미늄 집전체와 양극 복합체를 박리시킨 후, 박리율 및 황산 용액에 용출된 불순물인 알루미늄 이온의 농도를 측정하였다 (전지 제조과정에서 1% 정도의 끝자락에 마무리용 보호 테이프가 붙여지기 때문에 이 부분에 해당되는 양극 복합체는 유기용제 또는 80℃ 이상의 가열방식을 제외하고는 일반적인 산 침지 또는 에칭(etching)에 의해 집전체와 박리되지 않으므로, 본 실시예에서는 완전 박리된 상태의 박리율(stripping rate)이 99%에 해당함).

실험결과, 황산 용액의 농도가 1M 보다 낮은 경우에는 양극 복합체가 알루미늄 집전체와 완전하게 박리되기 힘든 반면, 2M 농도의 황산으로 처리할 경우에는 완전한 박리가 가능하면서도 알루미늄 용출량에 큰 차이가 없었다. 이때 끝자락 박리 실험에서 상대적으로 알루미늄 용출량이 높게 측정되었는데, 그 이유는 끝자락 표면의 대부분이 양극 복합체로 코팅되지 않은 알루미늄 호일로 구성되어 황산에 직접 노출되어 반응하기 때문인 것으로 추정된다 (하기 실시예 3의 결과 참조).

실시예 3: 전지 종류에 따른 전극 복합체 박리 평가

다양한 종류의 리튬이온전지 폐기물의 파쇄물로부터 황산 용액으로의 양극 복합체 박리효과를 확인하기 위해, 파쇄물 70g을 2M 농도의 황산 용액에 상온에서 3시간 동안 침지시켜 알루미늄 집전체와 양극 복합체를 박리시킨 후, 박리율 및 황산 용액에 용출된 불순물인 구리 이온 및 알루미늄 이온의 농도를 하기 표 2에 나타내었다.

* 알루미늄 케이스 전지-(1): 사각전지, 알루미늄 케이스 전지-(2): 파우치셀

** 젤리롤(jelly roll): SUS 케이스를 입히지 않은 원통형전지

상기 표 2의 실험결과로부터 알 수 있듯이, 전지 케이스를 사전에 분리하지 않고 2M 황산으로 처리하여도 알루미늄 용출은 크게 증가하지 않았다.

다만, 알루미늄 케이스 전지-(2) 및 끝자락 샘플에서 알루미늄 수치가 조금 높게 나왔는데, 이는 코팅된 알루미늄 호일로 구성된 파우치의 두께가 얇아 동일 무게의 파쇄물을 투입할 때 사각전지보다 더 많은 부피의 파우치가 황산 용액에 침지되고, 끝자락의 대부분 또한 노출된 알루미늄 호일로 구성되어 기타 샘플보다 황산과 더욱 많이 반응하기 때문으로 해석된다.

또한, 알루미늄 케이스 전지-(1), 알루미늄 케이스 전지-(2) 및 SUS 케이스 전지의 박리율이 96%인 것은 이들 셀에서 과충전이 많이 발생된 관계로 분리막에 붙어있던 1% 정도의 전극 복합체가 집전체와 박리되지 않았기 때문이며, 나머지 3%는 전지 제조과정에서 붙여진 접착테이프에 인한 손실인 것으로 해석된다.

상기의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법에 따르면, 리튬이온전지 회수공정의 전처리시 알루미늄 케이스 및 구리 호일을 집전체로 사용하는 음극(negative electrode)을 사전 분리하지 않아도, 유가금속을 추출하는 후속 프로세스에 큰 영향을 미치지 않으므로, 저렴한 비용으로 리튬이차전지 폐기물을 대량 처리할 수 있다.

실시예 4: 본 발명에 따른 리튬이온전지 폐기물의 전처리

도 1 및 하기 표 3에 제시된 바와 같은 본 발명의 전처리방법에 따라 리튬이온전지 폐기물을 처리하여 폐기물 중의 전극 복합체를 회수한 다음 이 전극 복합체 중의 양극 활물질의 양을 측정하여, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

구체적으로는, 리튬이온전지 폐기물로서 총 중량을 기준으로 공정 스크랩 20 중량%, 알루미늄 케이스 전지 40 중량%, SUS 케이스 전지 20 중량% 및 플라스틱 케이스 전지 20 중량%를 사용하였다. 상기 알루미늄, SUS 및 플라스틱 케이스 전지는 각각 0.8, 8 및 8% 농도의 NaCl 수용액으로 24, 24 및 24시간 동안 침지시켜 부식 방전시킨 것을 사용하였다.

또한, 스크린(screen) 크기가 30φ인 파쇄기를 사용하여 리튬이온전지 폐기물을 5 내지 15 mm의 크기로 파쇄하였으며, 1차 및 2차 분급시 홀 크기가 500 ㎛인 시브(sieve)를 사용하였고, 황산 용액에 의한 전극 복합체 박리시에는 2M 농도의 황산 용액으로 상온에서 3시간 동안 침지를 수행하였다.

상기 표 3의 실험결과로부터, 본 발명의 전처리방법에 의하면, 사전 해체분류 없이 대량 파쇄된 리튬이온전지 폐기물로부터 양극 활물질을 포함한 전극 복합체를 안전하게 효율적 및 경제적으로 회수할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (8)

1. (1) 전해질, 분리막, 전극 복합체 및 집전체를 포함하고 있는 리튬이온전지 폐기물을 5 내지 15 mm의 크기로 파쇄하는 단계;
   (2) 파쇄물을 물로 세척하여 전해질을 제거한 후, 전해질이 제거된 파쇄물을 비중분리하여 분리막을 제거하는 단계; 및
   (3) 전해질 및 분리막이 제거된 파쇄물을 1~4M 농도의 황산 용액으로 처리하여 파쇄물 중 집전체에 부착되어 있는 전극 복합체를 집전체와 박리시켜 회수하는 단계
   를 포함하는, 리튬이온전지 재생공정의 전처리방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계 (1)의 리튬이온전지 폐기물이 폐리튬이온전지 및 리튬이온전지의 생산과정에서 발생하는 공정 스크랩(scrap)을 포함하는 것임을 특징으로 하는, 리튬이온전지 재생공정의 전처리방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 폐리튬이온전지가 0.5~10% 농도의 염화나트륨(NaCl) 수용액으로 처리되어 부식 방전된 것임을 특징으로 하는, 리튬이온전지 재생공정의 전처리방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 폐리튬이온전지의 케이스가 알루미늄 케이스, 스테인레스 스틸 케이스 또는 플라스틱 케이스이며,
   알루미늄 케이스 전지가 0.5~4% 농도의 NaCl 수용액으로 12~36시간 동안 부식 방전되고; 스테인레스 스틸 케이스 전지가 6~10% 농도의 NaCl 수용액으로 12~36시간 동안 부식 방전되고; 플라스틱 케이스 전지가 6~10% 농도의 NaCl 수용액으로 36~60시간 동안 부식 방전된 것임을 특징으로 하는, 리튬이온전지 재생공정의 전처리방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계 (1)의 파쇄 이후 단계 (2)의 전해질 제거에 앞서, 상기 리튬이온전지 폐기물이 스테인레스 스틸(SUS)을 추가로 포함하여 자력선별(magnetic separation)에 의해 파쇄물로부터 SUS를 제거한 후, 파쇄물을 분급하여 전극 복합체 분말을 1차적으로 분리해 내는 것을 특징으로 하는, 리튬이온전지 재생공정의 전처리방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계 (2)에서, 전해질이 제거된 파쇄물을 수위단차(water level)가 설치된 수세탱크(rinse tank)를 이용하여 비중분리하는 것을 특징으로 하는, 리튬이온전지 재생공정의 전처리방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계 (3)에서, 황산 용액으로의 처리가 황산 용액에 파쇄물을 상온에서 10분 내지 5시간 동안 침지시켜 수행되는 것을 특징으로 하는, 리튬이온전지 재생공정의 전처리방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계 (3)에서, 박리된 전극 복합체의 회수가 분급 및 비중분리에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 리튬이온전지 재생공정의 전처리방법.

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