KR101750333B1 - 전지의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

(과제)본 발명은, 대량으로 배출되는 타이어 등의, 유황을 함유하는 고무류를 전지로서 유효하게 재생이용하는 것이다.
(해결수단)본 발명에서는, 타이어 등의, 유황을 함유하는 고무류를 원료로 하여 원료를 열분해하여 고형물과 건류가스로 분리하고, 상기 건류가스를 냉각하여 유분과 가스로 분리하고, 유분을 증류하여 중질유와 경질유와 유황으로 분리하고, 중질유와 유황을 혼련하여 열처리 함으로써 전지의 정극활물질을 제조하고, 상기 고형물을 금속과 탄화물로 선별하고, 탄화물을 열처리 함으로써 전지의 정극도전재나 음극활물질을 제조하고, 상기 정극활물질과 상기 정극도전재를 사용하여 전지의 정극집전체를 제조하고, 상기 음극활물질을 사용하여 음극집전체를 제조하고, 상기 정극집전체나 음극집전체를 사용하여 전지를 제조하였다.

Description

전지의 제조방법{BATTERY PRODUCTION METHOD}
본 발명은, 타이어(tire) 등의, 유황(硫黃)을 함유하는 고무류(類)를 원료(原料)로 사용하여 전지(電池)(전지에 사용되는 정극활물질(正極活物質), 정극도전재(正極導電材), 정극집전체(正極集電體), 음극활물질(負極活物質))를 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래부터 유황을 함유하는 고무류는, 타이어로 대표되듯이, 대량으로 제조되어 제품으로서 유통된 후에 폐품으로서 회수되고, 또 제품의 제조과정에 있어서 남은 것이 폐기물로서 회수된다.
회수된 고무류는, 재생이용(再生利用)하기 위하여 처리 플랜트에서 처리된다. 처리 플랜트에서는 열분해로(熱分解爐)를 사용하여 고무류를 열분해하는 처리가 이루어지고 있다(예를 들면 특허문헌1을 참조).
특허문헌1 : 일본국 공개특허 특개2005-8677호 공보
고무류는, 상기한 처리 플랜트에서 열분해처리된 재생물을 열원(熱源)으로서 이용하고 있는 정도이고, 자원으로서 유효하게 재생이용되고 있지 않았다.
한편 최근에는, 전기제품의 보급이나 전기자동차의 개발 등에 의하여 리튬이온 2차전지 등의 전지가 주목받고 있고, 특히 전지의 대용량화가 요망되고 있다.
따라서 본 발명자는, 대량으로 배출되는 타이어 등의, 유황을 함유하는 고무류를 전지로서 유효하게 재생이용하는 방법에 대하여 예의 연구를 거듭하여 본 발명을 이루기에 이르렀다.
청구항1에 관한 본 발명에서는, 타이어 등의, 유황을 함유하는 고무류를 원료로 사용하여 전지를 제조하는 전지의 제조방법에 있어서, 원료를 열분해하여 고형물과 건류가스로 분리하고, 상기 건류가스를 냉각하여 유분과 가스로 분리하고, 유분을 증류하여 중질유와 경질유와 유황으로 분리하고, 중질유와 유황을 혼련하여 열처리 함으로써 정극활물질을 제조하는 것으로 하였다.
또한 청구항2에 관한 본 발명에서는, 타이어 등의, 유황을 함유하는 고무류를 원료로 사용하여 전지를 제조하는 전지의 제조방법에 있어서, 타이어 등의, 유황을 함유하는 고무류를 원료로 하여 원료를 열분해하여 고형물과 건류가스로 분리하고, 상기 건류가스를 냉각하여 유분과 가스로 분리하고, 유분을 증류하여 중질유와 경질유와 유황으로 분리하고, 중질유와 유황을 혼련하여 열처리 함으로써 전지의 정극활물질을 제조하고, 상기 고형물을 금속과 탄화물로 선별하고, 탄화물을 열처리 함으로써 전지의 정극도전재를 제조하고, 상기 정극활물질과 상기 정극도전재를 사용하여 전지의 정극집전체를 제조하는 것으로 하였다.
또한 청구항3에 관한 본 발명에서는, 타이어 등의, 유황을 함유하는 고무류를 원료로 사용하여 전지를 제조하는 전지의 제조방법에 있어서, 원료를 열분해하여 고형물과 건류가스로 분리하고, 상기 고형물을 금속과 탄화물로 선별하고, 탄화물을 열처리 함으로써 전지의 정극도전재를 제조하는 것으로 하였다.
또한 청구항4에 관한 본 발명에서는, 타이어 등의, 유황을 함유하는 고무류를 원료로 사용하여 전지를 제조하는 전지의 제조방법에 있어서, 원료를 열분해하여 고형물과 건류가스로 분리하고, 상기 고형물을 금속과 탄화물로 선별하고, 탄화물을 열처리 함으로써 전지의 음극활물질체를 제조하는 것으로 하였다.
본 발명에서는, 대량으로 배출되는 타이어 등의, 유황을 함유하는 고무류를 전지로서 유효하게 재생이용할 수 있다.
[도1]고무류의 처리를 나타내는 공정도.
[도2]전지의 충방전특성을 나타내는 설명도.
[도3]전지의 충방전특성을 나타내는 설명도.
[도4]전지의 충방전특성을 나타내는 설명도.
이하에, 본 발명에 관한 전지(전지에 사용되는 정극활물질, 정극도전재, 정극집전체, 음극활물질)의 제조방법의 구체적인 구성에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
본 발명은, 도1에 나타나 있는 바와 같이 원료로서 고무류를 사용하여, 전지에 사용되는 정극활물질이나 정극도전재나 음극활물질을 제조하고, 또한 정극활물질과 정극도전재를 사용하여 정극집전체를 제조하고, 음극활물질로부터 음극집전체를 제조하고, 또한 정극집전체나 음극집전체를 사용하여 전지를 제조함으로써, 고무류를 재생이용할 수 있도록 하고 있다.
여기에서 고무류로서는, 사용 후에 폐기되는 타이어 등과 같은 각종 유황이나 규소를 함유하는 고무제품이나, 그 제조과정에서 결손품(缺損品)이나 잉여재료로서 발생하여 폐기되는 유황이나 규소를 함유하는 고무를 주성분으로 하는 폐기물을 사용할 수 있다.
우선, 원료가 되는 고무류를 열분해로를 사용하여 열분해처리 한다. 이에 따라 고체상(固體狀)의 고형물(固形物)과, 기체상(氣體狀)의 건류가스(乾溜gas)로 분리된다.
고무류로부터 열분해에 의하여 분리된 고형물은, 선별기(選別機)를 사용하여 선별 처리된다. 이에 따라 금속과 탄화물로 선별된다.
고형물로부터 선별된 금속은, 금속자원으로서 재생이용할 수 있다.
한편 고형물로부터 선별된 탄화물은, 분쇄기를 사용하여 분쇄한 후에 열처리기를 사용하여 열처리(2400℃∼2800℃) 함으로써 함유하는 아연을 제거하고 중공(中空)모양의 고도전재(高導電材)로 할 수 있다. 그것을 그대로 전지의 정극도전재로서 재생이용할 수 있다. 또한 세정함으로써 함유하는 철을 제거하고나서 전지의 정극도전재로서 재생이용할 수도 있다. 이 탄화물은, 분쇄 후에 탄화부활(炭化賦活)시킴으로써 또는 분쇄 후에 열처리한 후에 탄화부활시킴으로써, 커패시터용 활물질이나 연료전지 촉매용 담체물질(擔體物質)로서 이용할 수도 있다. 또한 탄화물은 미분화(微粉化)하여 전지의 음극활물질로서 재생이용할 수도 있고, 그 음극활물질을 바인더를 사용하여 성형함으로써 전지의 음극집전체로서 재생이용할 수도 있다.
고무류로부터 열분해에 의하여 분리된 건류가스는, 냉각기를 사용하여 냉각 처리된다. 이에 따라 액체상(液體狀)의 유분(油分)과 기체상의 가스분(gas分)(비응축 가스(非凝縮 gas))으로 분리된다.
여기에서 냉각기에 의한 냉각온도에 따라 중유(重油)와 비응축 가스의 생성 비율이나 성분을 제어할 수 있다. 냉각온도를 낮게 하면, 중유의 생성 비율이 증대함과 아울러 비응축 가스에 포함되는 탄화수소량이 감소한다. 그 때문에 비응축 가스의 탄화수소농도를 검출기로 검출하여 농도가 일정하게 되도록 냉각온도를 제어할 수도 있다.
건류가스로부터 분리된 비응축 가스는, 안전기(安全器)를 사용하여 감압(減壓)한 후에 탈황기(脫黃機)를 사용하여 탈황처리 한다. 이에 따라 비응축 가스로부터 유황분(硫黃分)이 포함되어 있지 않은 탄화수소 가스를 회수할 수 있다. 회수된 탄화수소 가스는, 분류기(分溜機) 등을 사용하여 가스의 성분별로 회수하여도 좋다. 이렇게 하여 회수된 탄화수소 가스는, 유황분을 포함하고 있지 않고, 탄소를 많이 함유하고 있기 때문에, 카본나노튜브나 카본나노파이버 등의 원료로서 유효하게 이용할 수 있다. 또한 탈황기에 의하여 회수된 유황은, 후술하는 정극활물질의 제조에 유효하게 이용할 수도 있다.
한편 건류가스로부터 분리된 유분은, 증류기(蒸溜器)를 사용하여 유황의 비등점 이상의 온도에서 증류 처리된다. 이에 따라 유황을 대량으로 함유하는 경질유(輕質油)가 분리되고, 유황을 거의 함유하지 않는 중질유(重質油)가 잔류한다. 유황을 함유하는 경질유는 탈황처리 함으로써 유황과 경질유로 분리하여 회수된다. 그리고 분리된 경질유는 연료로서 재생이용할 수 있다. 또한 분리된 중질유와 유황은, 혼련기(混練機)를 사용하여 혼련하고, 열처리기로 열처리(환류(還流) 열처리나 오토클레이브(autoclave) 처리) 함으로써, 고체상의 정극활물질을 제조할 수 있다. 또한 정극활물질의 제조에 사용하는 유황은, 중질유를 추출한 고무류를 원료로 하는 것에 한정되지 않고, 다른 원료로부터 생성한 것이나 시판품을 사용하더라도 좋고, 이들을 혼합한 것이라도 좋다.
본 발명에서는, 타이어 등의, 유황을 함유하는 고무류를 원료로 하여 원료를 열분해하여 고형물과 건류가스로 분리하고, 건류가스를 냉각하여 유분과 가스분으로 분리하고, 유분을 증류하여 중질유와 경질유와 유황으로 분리하고, 중질유와 유황을 혼련하여 열처리 함으로써 전지의 정극활물질을 제조할 수 있다.
이렇게 하여 제조된 정극활물질을 분쇄하고, 이것을 도전재와 바인더와 용제에 혼합하여 성형함으로써, 전지(정극집전체)를 제조하였다. 또한 도전재나 바인더나 용제는, 기존의 코발트를 활물질로서 사용한 리튬이온 2차전지에서와 동일한 것을 동일 비율로 사용하였다. 그 결과, 기존의 코발트를 사용한 리튬이온 2차전지에서는, 중량별 용량이 200ｍＡｈ/ｇ 정도이었던 것에 대하여, 도2에 나타나 있는 바와 같이 본 발명에 관한 전지에서는, 용량이 400ｍＡｈ/g를 넘는 것을 제조할 수 있었다. 또한 도2는 본 발명에 관한 전지의 충방전특성을 나타내고 있는 것으로, 정극활물질 1g당 50ｍＡ의 전류로 방전종지전압(放電終止電壓) 1.0V, 충전종지전압(充電終止電壓) 3.0V로 충방전을 반복해 실시한 것이다. 초기방전에서는 용량이 900ｍＡｈ/g를 넘고 있고, 11회의 충방전을 반복하여도 용량이 400ｍＡｈ/g를 넘고 있다.
이와 같이 본 발명에 관한 정극활물질에 의해서는, 전지의 용량을 증대시킬 수 있다.
또한 본 발명에서는, 타이어 등의, 유황을 함유하는 고무류를 원료로 하여 원료를 열분해하여 고형물과 건류가스로 분리하고, 고형물을 금속과 탄화물로 선별하고, 탄화물을 열처리 함으로써 전지의 정극도전재를 제조할 수 있다.
이렇게 하여 제조된 정극도전재를 상기 본 발명에 관한 정극활물질과 바인더와 용제에 혼합하여 성형함으로써, 전지(정극집전체)를 제조하였다. 또한 바인더나 용제는, 기존의 코발트를 활물질로서 사용한 리튬이온 2차전지에서와 동일한 것을 동일비율로 사용하였다. 정극활물질은 상기와 동일한 것을 동일비율로 사용하였다. 그 결과, 상기 본 발명에 관한 정극활물질과 기존의 도전재를 사용한 리튬이온 2차전지에서는, 초기방전에서의 중량별 용량이 900ｍＡｈ/g를 넘는 정도이었던 것에 대하여, 도3에 나타나 있는 바와 같이 기존의 도전재 대신에 본 발명에 관한 정극도전재를 사용한 전지에서는, 용량이 1000ｍＡｈ/g를 넘는 것을 제조할 수 있었다. 또한 도3은 본 발명에 관한 전지의 충방전특성을 나타내고 있는 것으로, 점선이 상기 본 발명에 관한 정극활물질과 기존의 도전재를 사용한 리튬이온 2차전지의 특성(도2와 같음)을 나타내고, 실선이 본 발명에 관한 정극활물질과 정극도전재를 사용한 리튬이온 2차전지의 특성을 나타내며, 도2와 마찬가지로, 정극활물질 1g당 50ｍＡ의 전류로 방전종지전압 1.0V, 충전종지전압 3.0V로 충방전을 한 것이다.
이와 같이 본 발명에 관한 정극도전재에 의해서는, 전지의 초기의 용량을 증대시킬 수 있다.
또한 본 발명에서는, 타이어 등의, 유황을 함유하는 고무류를 원료로 하여 원료를 열분해하여 고형물과 건류가스로 분리하고, 고형물을 금속과 탄화물로 선별하고, 탄화물을 열처리 함으로써 전지의 음극활물질을 제조할 수 있다.
이렇게 하여 제조된 음극활물질을 분쇄하고 이것을 바인더에 혼합하여 성형함으로써, 전지(음극집전체)를 제조하였다. 또한 바인더는, 기존의 흑연을 활물질로서 사용한 리튬이온 2차전지에서와 동일비율로 사용하였다. 그 결과, 기존의 흑연을 사용한 리튬이온 2차전지에서는, 중량별 용량이 360ｍＡｈ/ｇ 정도이었던 것에 대하여, 도4에 나타나 있는 바와 같이 본 발명에 관한 전지에서는, 용량이 900ｍＡｈ/g를 넘는 것을 제조할 수 있었다. 또한 도4는 본 발명에 관한 전지의 충방전특성을 나타내고 있는 것으로, 음극집전체 1g당 50ｍＡ의 전류로 방전종지전압 0.03V, 충전종지전압 1.5V로 충방전을 반복해 실시한 것이다. 초기방전에서는 용량이 1200ｍＡｈ/g를 넘고 있고, 5회의 충방전을 반복하여도 용량이 900ｍＡｈ/g를 넘고 있다.
이와 같이 본 발명에 관한 음극활물질에 의해서는, 전지의 용량을 증대시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는, 타이어 등의, 유황을 함유하는 고무류를 원료로 하여 원료를 열분해하여 고형물과 건류가스로 분리하고, 상기 건류가스를 냉각하여 유분과 가스분으로 분리하고, 유분을 증류하여 중질유와 경질유와 유황으로 분리하고, 중질유와 유황을 혼련하여 열처리 함으로써 전지의 정극활물질을 제조하고, 고형물을 금속과 탄화물로 선별하고, 탄화물을 열처리 함으로써 전지의 정극도전재나 음극활물질을 제조하고, 정극활물질과 정극도전재를 사용하여 전지의 정극집전체를 제조하고, 음극활물질을 사용하여 전지의 음극집전체를 제조하고, 정극집전체나 음극집전체를 사용하여 전지를 제조할 수 있다. 또한 본 발명에 관한 정극활물질, 정극도전재, 정극집전체, 음극활물질, 음극집전체는, 이들로부터 동일한 전지를 제조하는 경우에 한정되지 않고, 각각 별개의 전지를 제조하는 경우에 이용할 수도 있다.
이에 따라 본 발명에서는, 대량으로 배출되는 타이어 등의, 유황을 함유하는 고무류를 전지로서 유효하게 재생이용할 수 있다.

Claims (4)

  1. 유황(硫黃)을 함유하는 타이어를 원료(原料)로 사용하여 전지(電池)를 제조함에 있어서,
    원료를 열분해하여 고형물(固形物)과 건류가스(乾溜gas)로 분리하고, 상기 건류가스를 냉각하여 유분(油分)과 가스로 분리하고, 유분을 증류하여 중질유(重質油)와 경질유(輕質油)와 유황으로 분리하고, 상기 중질유에 유황을 혼련(混練)하여 고형상(固形狀)이 될 때까지 열처리한 것을 전지의 정극활물질(正極活物質)로서 이용하는
    것을 특징으로 하는 정극활물질의 제조방법.
  2. 유황을 함유하는 타이어를 원료로 사용하여 전지를 제조함에 있어서,
    유황을 함유하는 타이어를 원료로 하여 원료를 열분해하여 고형물과 건류가스로 분리하고,
    상기 건류가스를 냉각하여 유분과 가스로 분리하고, 유분을 증류하여 중질유와 경질유와 유황으로 분리하고, 상기 중질유에 유황을 혼련(混練)하여 고형상(固形狀)이 될 때까지 열처리한 것을 전지의 정극활물질(正極活物質)로서 이용하고,
    상기 고형물을 금속과 탄화물(炭化物)로 선별하고, 탄화물을 열처리 함으로써 전지의 정극도전재(正極導電材)를 제조하고,
    상기 정극활물질과 상기 정극도전재를 사용하여 전지의 정극집전체(正極集電體)를 제조하는 것을 특징으로 하는 정극집전체의 제조방법.
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