KR101927044B1 - 로터리 킬른 및 이를 이용한 폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원방법 - Google Patents

로터리 킬른 및 이를 이용한 폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원료의 장입과 배출이 가능하도록 제공되고, 구동수단에 연계되어 회전가능하게 지지되며 장입된 원료가 열처리되는 회전형 본체부; 원료가 장입되는 방향과 대향되게 배치되고, 장입된 원료와 반응하는 반응가스를 공급하는 가스공급부; 장입된 원료와 반응가스가 반응하여 생성된 배가스가 배출되는 배가스배출부; 및 상기 본체부의 내부에 회전축과 수평하게 형성되며 금속 메쉬로 이루어진 한 쌍의 격벽 및 상기 격벽 사이에 충격재가 위치하는 분말 탈거 장치;를 포함하는 로터리 킬른 및 폐 리튬 이온전지 양극물질의 환원공정 중 양극물질의 뭉침을 방지하고 환원이 이루어지도록 분말이산제를 혼합하는 폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 폐 리튬 이온전지 양극물질의 환원공정 중 양극물질의 뭉침을 방지하고, 환원공정 후 파쇄 공정을 생략할 수 있으며, 리튬 회수율을 향상시킬 수 있다.

Description

로터리 킬른 및 이를 이용한 폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원방법{ROTARY KILN AND METHOD FOR REDUCING VALUABLE METALS FROM USED LITHIUM BATTERY USING THE SAME}
본 발명은 로터리 킬른 및 이를 이용한 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 유가금속을 환원하는 방법에 관한 것이다.
리튬 이온전지는 높은 에너지 밀도와 경량의 특성을 지니고 있기 때문에 소형 휴대장비의 동력원으로 사용되고 있다. 특히 최근에는 리튬 이온전지의 사용량이 급증하고 있으며 소형가전기기, 모바일용 제품뿐만 아니라 하이브리드 전기자동차(HEV/EV) 등의 동력원으로도 널리 이용되고 있다.
이러한 리튬 이온전지는 양극과 음극, 유기전해질(organic electrolyte) 및 유기분리막(organic separator)으로 구성되어 있으며, 구체적으로 플라스틱 케이스(Plastic casing)와 여러 셀 단위(cell unit)안에 포함된 양극, 음극, 유기분리막, 유기전해질, 그리고 니켈-코팅 강철 케이스(Ni-coated steel casing)로 구성된다.
한편, 리튬 이온전지의 양극은 양극물질, 도전체, 바인더, 집전체로 이루어져 있으며, 양극물질(active cathode materials)로는 가역성(reversibility)이 우수하고, 낮은 자가방전율, 고용량, 고에너지 밀도를 갖고, 합성이 용이한 리튬코발트산화물(LiCoO2)이 널리 사용되고 있다.
또한, 최근에는 고가인 코발트(Co)의 사용량을 줄이기 위해 Ni, Mn 등이 함께 포함된 Li(NiCoMn)Ox와 같은 3원계의 리튬 복합금속 산화물 등도 양극 물질로 이용되고 있다.
그러나 상기와 같은 양극물질 모두 적어도 5중량% 이상의 리튬, 및 니켈, 코발트, 망간과 같은 유가 금속을 다량 함유하고 있어, 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 고가의 유가 금속을 회수하기 위한 방법에 관심이 주목되고 있다.
종래에는 폐 리튬 이온전지로부터 유가 금속을 회수하는 방법 중 하나로 질산, 황산, 염산 등의 강산을 사용하여 폐 리튬 이온전지의 양극물질을 용해한 뒤 중화반응을 행하여 리튬과 기타 금속화합물을 분리 회수하는 방법이 사용되었다.
다만, 상기 회수 방법은 리튬과 금속 화합물이 함께 산에 용출되어 분리되므로, 이를 다시 리튬 이온전지의 제조에 사용하기 위해서는 리튬 화합물과 기타 금속 화합물을 분리하는 추가적인 공정이 필요한 한계가 있었다.
또한, 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 먼저 유가금속인 코발트, 니켈, 망간을 회수하고, 리튬을 탄산나트륨을 사용하여 탄산 리튬 형태로 회수하는 방법은 리튬 화합물과 다른 기타 금속 화합물을 따로 분리해 낼 수 있어, 상기 산을 이용하여 한 번에 용출해 내는 방법에 비하여 추가적으로 이를 분리하는 공정을 생략할 수 있어 경제적이며 단순한 장점이 있다.
다만, 상기 방법은 분리된 탄산 리튬에 나트륨이 불순물로 다량 포함되어, 고순도의 탄산 리튬을 회수하기 위해서는 여러 번의 정제 공정을 거쳐야 하는 한계가 있었다.
한편, 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 유가 금속을 회수하는 방법에 관한 대한민국 등록특허 10-1497041호에 따르면, 400℃ 환원온도에서는 환원 후 분말 형태를 유지하지만 환원율이 낮아 수세 시 리튬 회수율이 53%로 낮게 나타나는 단점이 있다.
반면, 환원온도를 500℃ 이상으로 하였을 때는 환원 후 모두 덩어리 형태로 나왔으며, 이때 환원율이 증가하여 수세시 리튬 회수율이 약 75%로 증가하였으나 환원온도가 증가함에 따라 리튬 회수율이 감소하는 경향을 나타내는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 10-1497041호
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폐 리튬 이온전지의 양극물질의 환원 조건 및 공정을 개선하여 반응물이 분말의 형태로 수득되고, 리튬 회수율을 대폭 향상시킬 수 있는 로터리 킬른 및 이를 이용한 폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분말 원료의 장입과 배출이 가능하도록 제공되고, 구동수단에 연계되어 회전 가능하게 지지되며 장입된 원료가 열처리되는 회전형 본체부; 분말 원료가 장입되는 방향과 대향되게 배치되고, 장입된 원료와 반응하는 반응가스를 공급하는 가스공급부; 장입된 원료와 반응가스가 반응하여 생성된 배가스가 배출되는 배가스배출부; 및 상기 회전형 본체부의 내부에 위치하고 회전에 따라 낙하하며, 본체부에 대해 충돌하여 본체부에 부착된 분말 원료를 탈착하는 충격재 및 상기 충격재의 이탈은 방지하되, 분말 원료의 이동은 허용하는 한 쌍의 격벽을 포함하는 분말 탈거 장치;를 포함하는 로터리 킬른이 제공된다.
상기 분말 탈거 장치가 복수개일 수 있다.
상기 격벽이 금속 메쉬로 이루어질 수 있다.
상기 충격재가 스테인레스강, 연강 및 세라믹 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 충격재의 형상이 막대형 및 구형 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 본체부 내부에 길이 방향을 따라 형성되는 복수개의 배플(baffle)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 실시예에 따르면, 회전형 본체부, 가스공급부, 배가스배출부를 포함하는 로터리 킬른에 분말 원료를 장입하고 배소하되, 상기 회전형 본체부의 내부에 위치하고 회전에 따라 낙하하여, 본체부에 대해 충돌하는 충격재가 본체부에 부착된 분말 원료를 탈착하는 것인, 로터리 킬른 내 분말 부착 방지 방법이 제공된다.
상기 충격재의 이탈은 방지하되, 분말 원료의 이동은 허용하는 한 쌍의 격벽을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 실시예에 따르면, 분말이산제와 양극물질을 혼합하여 혼합물을 얻는 단계; 회전형 본체부, 가스공급부, 배가스배출부를 포함하는 로터리 킬른에 상기 혼합물을 장입하는 단계; 및 상기 로터리 킬른에 반응가스를 투입하여 상기 양극물질을 환원시키는 단계;를 포함하는, 폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원방법이 제공된다.
상기 로터리킬른은 상기 회전형 본체부의 내부에 위치하고 회전에 따라 낙하하며, 본체부에 대해 충돌하여 회전형 본체부에 부착된 분말 원료를 탈착하는 충격재 및 상기 충격재의 이탈은 방지하되, 분말 원료의 이동은 허용하는 한 쌍의 격벽을 포함하는 분말 탈거 장치;를 포함할 수 있다.
상기 분말이산제가 흑연, 염화칼륨, 염화나트륨 및 석탄 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 분말이산제의 함량이 양극물질 100중량부에 대하여 5 내지 30중량부일 수 있다.
상기 환원 반응이 300 내지 550℃에서 수행될 수 있다.
상기 환원 반응이 30 내지 180분 동안 수행될 수 있다.
상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질은 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 및 리튬으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 유가금속을 포함할 수 있다.
상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질은 리튬코발트 산화물(LiCoO2), 리튬코발트니켈망간 산화물(LiCoNiMnO2), 리튬 코발트니켈 산화물(LiCo1 - yNiyO2, 0<y<1), 리튬망간산화물(LiMnO2),및 리튬니켈알루미늄 산화물(LiNi1-zAlzO2, 0.05≤≤z≤≤0.5)중에서 선택된 1종 이상의 리튬 복합금속 산화물을 포함할 수 있다.
상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 분리된 리튬 화합물은 산화 리튬, 수산화 리튬 및 탄산 리튬 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 킬른을 사용함으로써 폐 리튬 이온전지 양극물질의 환원공정 중 양극물질의 뭉침을 방지하여 환원공정 후 파쇄 공정을 생략할 수 있으며, 리튬 회수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 양극물질 분말이산제를 적용함으로써 환원공정 중 양극물질의 뭉침을 방지하여 환원공정 후 파쇄 공정을 생략할 수 있으며, 나아가 리튬 회수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적으로 사용되는 로터리 킬른의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 킬른의 개략도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 킬른 본체부의 내부를 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
폐 리튬 이온전지의 양극물질을 대량으로 수소 환원하기 위해서는 여러 종류의 환원로 사용이 가능하나, 본 발명에서는 수소의 공급/흐름 방향과 양극 물질 분말의 공급/흐름 방향이 반대로 적용되는 로터리 킬른을 사용하였다.
로터리 킬른은 광석 등의 원료를 건조, 소성 또는 환원하기 위해서 회전하는 본체에 넣고 원료를 가열하여 설정된 온도로 상승시킨 후에 수소 등의 반응가스와 반응시킬 때 사용되는 장치로서, 석회 및 시멘트 제조, 각종 금속의 환원, 폐기물 처리에 사용된다.
도 1은 일반적으로 사용되는 로터리 킬른의 개략도이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 로터리 킬른(10)은 원료가 유입되는 원료유입부(4)와, 유입된 원료와 수소 등의 반응가스의 반응이 일어나는 반응부(1)와, 반응이 끝난 원료가 배출되는 원료배출부(3)로 구성된다.
상기 원료유입부(4)와 인접한 상기 반응부(1)에서는 가열로(6)로부터 열을 공급받아 유입된 원료의 온도가 상승되고, 반응가스공급부(2)로부터 공급된 반응가스와 반응이 일어난다.
한편, 상기 반응부(1)는 원료가 원료유입부(4)에서 유입되어 상기 반응부(1) 내부에서 반응이 일어난 후 상기 원료유출부(3)로 유출되는 것을 원활히 하기 위해 지면과 소정의 경사각을 이루며 경사지게 구비되어 있다.
또한, 상기 반응부(1)는 회전하도록 구비되어, 회전함에 따라 원료를 하부에서 상부로 이동시키고, 상부에서 원료를 낙하시켜 낙하 중에 반응가스와 반응하며, 일반적으로 광석 등의 원료의 흐름과 가스의 흐름은 반대 방향으로 형성될 수 있다. 한편, 장입된 원료와 반응가스가 반응하여 생성된 배가스는 배기부(5)를 통해 배출된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 킬른의 개략도를 나타낸 것이다. 이하 도 2를 참조하여 본 발명의 로터리 킬른을 자세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분말 원료의 장입과 배출이 가능하도록 제공되고, 구동수단에 연계되어 회전 가능하게 지지되며 장입된 원료가 열처리되는 회전형 본체부(100); 분말 원료가 장입되는 방향과 대향되게 배치되고, 장입된 원료와 반응하는 반응가스를 공급하는 가스공급부(200); 장입된 원료와 반응가스가 반응하여 생성된 배가스가 배출되는 배가스배출부(300); 및 상기 회전형 본체부의 내부에 위치하고 회전에 따라 낙하하며, 본체부에 대해 충돌하여 본체부에 부착된 분말 원료를 탈착하는 충격재(400) 및 상기 충격재의 이탈은 방지하되, 분말 원료의 이동은 허용하는 한 쌍의 격벽(500)을 포함하는 분말 탈거 장치(600);를 포함하는 로터리 킬른(1000)이 제공된다.
폐 리튬 이온전지의 양극물질을 고온에서 수소를 이용하여 환원할 때, 환원율을 향상시켜 리튬의 수세 효율을 향상시키기 위해서는 반응 온도를 높일 필요가 있다. 그러나 반응 온도를 높일 경우 분말들이 뭉치는 소결반응이 일어나 환원 후 파쇄 공정을 거쳐야하는 단점이 있으며, 또한 리튬산화물과 유가금속 산화물간의 반응으로 리튬의 수세 효율이 떨어지는 단점이 있다.
특히, 환원율 향상을 위해 반응 온도를 높일 경우 분말이 뭉치게 되거나, 로터리 킬른 내부에 분말들이 뭉쳐서 붙는 현상이 발생하여 장기간 작업 시 생산성을 저하시키는 문제가 발생할 수 있다.
상기 분말의 뭉침 현상은 반응 중 발생하는 낮은 융점을 갖는 LiOH(융점: 약 462℃)의 영향으로, 반응온도가 높을 경우 LiOH가 녹아 분말의 뭉침 현상을 촉진시킬 수 있다.
이에 본 발명에서는 로터리 킬른 본체부 내부의 양극물질 분말이 뭉치는 부위에, 회전축과 수직하게 형성되며, 충격재의 이탈은 방지하되, 분말 원료의 이동은 허용하는 한 쌍의 격벽 및 상기 격벽 사이에 충격재가 위치하는 분말 탈거 장치를 형성하여, 본체부가 회전할 때 상기 충격재가 낙하함에 따라, 본체부와의 기계적 충돌로 인하여 본체부에 부착된 양극물질 분말이 분리될 수 있도록 하였다.
상기 격벽은 메쉬 구조의 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 메쉬구조의 격벽을 통해 양극물질 분말이 유입부에서 배출부로 잘 통과될 뿐만 아니라, 상기 격벽 사이에 위치하는 충격재가 본체부에서 이탈되지 않고 지속적으로 작동할 수 있게 된다.
상기 메쉬의 크기는 특별하게 한정하는 것은 아니나, 상기 양극물질 분말이 잘 통과되고, 상기 격벽 사이에 위치하는 충격재의 이탈을 방지하기 위해서 메쉬의 크기가 충격재보다는 작지만 가능한 큰 것이 바람직하다 또한, 상기 양극물질 분말의 이송이 원활하기 하기 위하여 상기 격벽의 중심부는 천공되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 격벽의 재질은 스테인레스강, 연강 또는 내열강 등으로 제조될 수 있으며, 바람직하게는 고온에서의 내구성이 강한 스테인레스강으로 제조될 수 있다.
한편, 상기 충격재의 재질은 특별하게 한정하는 것은 아니나, 예를 들어 스테인레스, 연강, 내열강 등이 사용가능하며, 바람직하게는 고온에서의 내구성이 우수한 스테인레스강을 사용할 수 있다
상기 충격재의 형상은 특별하게 한정하는 것은 아니나, 예를 들어 막대형, 구형등 다양한 형상이 가능하며 막대형 및 구형의 충격재를 동시에 사용할 수도 있다.
상기 분말 탈거 장치는 복수개로 형성될 수 있다. 구체적으로 분말의 부착이 발생하는 모든 부위에 설치될 수 있으며, 필요에 따라서는 로터리 킬른 본체부 모든 부위에 설치될 수도 있다. 다만, 격벽 사이의 간격은 충격재가 일정한 위치에서 작동하게 하기 위하여, 한 쌍의 격벽 사이의 간격은 충격재의 길이 및 충격효과에 따라 결정한다.
본 발명에 따른 로터리 킬른은 본체부 내부에 길이 방향을 따라 형성되는 복수개의 배플(baffle), (700)을 추가로 포함할 수 있다. 상기 배플은 본체부가 회전할 때 분말 형태의 양극물질을 더 높은 곳에서 낙하시킴으로써, 수소분위기에서의 환원 반응을 촉진시켜 환원율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 분말이산제와 상기 양극물질을 혼합하는 단계; 회전형 본체부, 가스공급부, 배가스배출부를 포함하는 로터리 킬른에 상기 혼합물을 장입하는 단계; 및 상기 로터리 킬른에 반응가스를 투입하여 상기 양극물질을 환원시키는 단계;를 포함하는, 폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원방법이 제공된다.
상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질은 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 및 리튬으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 유가금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 폐 리튬 이온전지에서 분리된 양극물질은 니켈 1 내지 50중량%, 코발트 1 내지 50중량%, 망간 1 내지 50중량%, 리튬 1 내지 10중량%를 포함할 수 있고, 추가적으로 알루미늄 0.001 내지 10중량%를 더 포함할 수 있다.
상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질은 상술한 금속의 산화물을 다양한 형태로 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질은 리튬코발트 산화물(LiCoO2), 리튬코발트니켈망간 산화물(LiCoNiMnO2), 리튬 코발트니켈 산화물(LiCo1-yNiyO2, 0<y<1), 리튬망간산화물(LiMnO2), 및 리튬니켈알루미늄 산화물(LiNi1-zAlzO2, 0.05≤≤z≤≤0.5)중에서 선택된 1종 이상의 리튬 복합금속 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명에서는 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 리튬을 회수할 때, 분말의 뭉침 현상을 방지하고 리튬의 회수율을 높이기 위해, 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질을 로터리 킬른에 장입하기 전에 상기 양극물질과 분말이산제를 혼합하여 로터리 킬른에 장입할 수 있다. 분말이산제와 양극 물질의 혼합으로 인해, 환원 과정 중 로터리 킬른 내부에서 반응물의 뭉침으로 인한 부착 현상 없이, 배출될 수 있다.
상기 분말이산제는 양극물질 분말과 반응하지 않고, 또한 환원 분위기에서도 반응성이 낮으며, 환원 온도보다 융점이 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하며 예를 들어, 흑연, 염화칼륨, 염화나트륨, 석탄 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 흑연분말을 사용할 수 있다.
상기 분말이산제는 양극물질 100중량부에 대하여 5 내지 30중량부로 혼합되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 8 내지 20중량부일 수 있다. 분말이산제의 함량이 5중량부 미만이면, 분말간의 접촉율이 높아 분말간의 응집이 발생하고 30중량부 초과하면, 과량의 이산제 투입으로 경제적이지 못하다. 분말이산제는 양극물질 분말과 균일하게 혼합되어 양극물질 분말간의 접촉을 최소화시키는 것이 바람직하다.
한편, 상기에서 설명한 바와 같이, 상기 로터리킬른은 상기 회전형 본체부의 내부에 위치하고 회전에 따라 낙하하며, 본체부에 대해 충돌하여 본체부에 부착된 분말 원료를 탈착하는 충격재 및 상기 충격재의 이탈은 방지하되, 분말 원료의 이동은 허용하는 한 쌍의 격벽을 포함하는 분말 탈거 장치;를 더 포함할 수 있으며, 상기 분말 탈거 장치의 구성 및 효과는 이미 설명하였으므로 여기에서는 자세한 설명은 생략하기로 한다.
다음으로, 폐 리튬 이온전지의 양극물질을 수소 환원 또는 탄소 환원시킴에 따라 고순도의 리튬 화합물을 효율적으로 분리할 수 있으며, 바람직하게는 수소환원시킬 수 있다.
상기 수소 환원 또는 탄소 환원에 의하여 분리되는 리튬 화합물은 산화 리튬, 수산화 리튬, 탄산 리튬, 또는 이들의 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 리튬 화합물을 분리하는 단계의 수소 환원은 로터리 킬른 내에서 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질과 수소 가스를 반응시킴으로써 이루어질 수 있으며, 이 때 양극물질 분말이 뭉치지 않게 하기 위한 온도인 300 내지 550℃로 가열하여 수행될 수 있고, 바람직하게는 360 내지 450℃로 수행될 수 있다. 300℃ 미만이면 환원반응이 적고, 550℃ 초과하면 분말의 응집현상이 현저히 발생할 수 있다.
또한, 상기 환원 반응은 30 내지 180분 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 50 내지 70분 동안 수행될 수 있다. 30분 미만이면 환원반응율이 낮고, 180분 초과하면, 반응물간의 응집이 발생할 수 있다.
이러한 수소 환원 반응이 진행됨에 따라서, 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질에 포함된 리튬은 분리 가능한 화합물의 형태로 전환될 수 있으며, 상기 양극물질에서 리튬 이외의 유가 금속이 환원된 형태로 전환될 수 있다.
본 발명에 따른 로터리 킬른 및 분말이산제를 사용함에 따라, 분말의 뭉침 현상을 방지함으로써 분말 형태의 리튬화합물을 회수할 수 있으므로, 수소환원의 결과물을 분쇄하는 공정을 거칠 필요가 없다는 점에서 전체 공정의 간소화 및 비용 절감의 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 회전형 본체부, 가스공급부, 배가스배출부를 포함하는 로터리 킬른에 분말 원료를 장입하고 배소하되, 상기 회전형 본체부의 내부에 위치하고 회전에 따라 낙하하여, 본체부에 대해 충돌하는 충격재가 본체부에 부착된 분말 원료를 탈착하는 것인, 로터리 킬른 내 분말 부착 방지 방법이 제공된다.
폐 리튬 이온전지의 양극물질 이외에도 분말 형태의 원료를 로터리 킬른 내에 장입하고 배소하는 경우 로터리 킬른 본체부 내부에 분말이 부착될 수 있으므로, 본 발명에서 제안하는, 회전형 본체부의 내부에 위치하고 회전에 따라 낙하하여, 본체부에 대해 충돌하는 충격재가 본체부에 부착된 분말 원료를 탈착함으로써 분말의 부착을 방지할 수 있다.
또한, 상기 충격재의 이탈은 방지하되, 분말 원료의 이동은 허용하는 한 쌍의 격벽을 더 포함하는 것이 바람직하며 이유는 상기에서 설명하였으므로 생략하기로 한다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
폐 리튬 이온전지로부터 양극물질을 분리하고, 본 발명에 따른 로터리 킬른에 투입하였다. 이 때 분리된 양극물질 분말의 성분은 하기 표 1과 같다.
구분 Li Ni Co Mn Al
성분[wt.%] 6.73 29.38 11.04 15.20 0.16
상기 양극물질 분말의 입도는 약 10μm이고 로터리 킬른 내 환원온도는 430℃였으며, 분말의 투입속도는 2kg/hr, 수소는 11L/min의 속도로 투입하였다.
한편, 한 쌍의 금속 메쉬구조의 격벽 및 충격재로 이루어진 분말 탈거 장치는 로터리 킬른의 가열부가 시작되는 부분과 끝나는 부분에 각각 적용하였으며, 격벽 사이의 간격은 300mm이고 충격재로는 지름 15mm, 길이 200mm인 스테인레스강 봉을 사용하였다.
약 60분의 환원 공정 이후 수득한 양극물질은 분말상태를 유지하였으며, 상기 환원된 양극물질 분말을 고액비 10:1로 물로 수세한 후 물에 녹은 리튬의 양을 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 분석 결과, 83.06%의 리튬 회수율(=(용액 내 Li량/원료의 Li량)*100)을 확인할 수 있었다. 또한, 환원공정 후 로터리킬른 내부를 관찰한 결과 분말이 로터리킬른 내부에 부착되는 것을 관찰할 수 없었다.
실시예 2
상기 표 1의 양극물질 분말을 상기 양극분말의 10중량부인 흑연분말과 혼합하여 로터리 킬른에 장입하였다. 이 때 로터리 킬른에는 분말 탈거 장치를 설치하지 않았으며, 이를 제외한 나머지 공정 조건은 실시예 1과 동일하게 하여 수행하였다.
상기 환원된 양극물질 분말을 고액비 10:1로 물로 수세한 후 물에 녹은 리튬의 양을 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 분석 결과, 82.93%의 리튬 회수율(=(용액 내 Li량/원료의 Li량)*100)을 확인할 수 있었다. 또한, 환원공정 후 로터리킬른 내부를 관찰한 결과 분말이 로터리킬른 내부에 부착되는 것을 관찰할 수 없었다.
비교예
상기 표 1의 양극물질 분말을 분말 탈거 장치를 설치하지 않은 로터리 킬른에 장입하였다. 이를 제외한 나머지 공정 조건은 실시예 1과 동일하게 하여 수행하였다.
환원공정 후 로터리킬른 내부를 관찰한 결과 분말들이 로터리킬른 내부에 부착되어 링 형태를 이루고 있는 것을 관찰할 수 있었으며, 이로 인해 수득된 량이 상대적이 매주 적음을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (17)

  1. 분말 원료의 장입과 배출이 가능하도록 제공되고, 구동수단에 연계되어 회전 가능하게 지지되며 장입된 원료가 열처리되는 회전형 본체부;
    분말 원료가 장입되는 방향과 대향되게 배치되고, 장입된 원료와 반응하는 반응가스를 공급하는 가스공급부;
    장입된 원료와 반응가스가 반응하여 생성된 배가스가 배출되는 배가스배출부; 및
    상기 회전형 본체부의 내부에 위치하고 회전에 따라 낙하하며, 본체부에 대해 충돌하여 본체부에 부착된 분말 원료를 탈착하는 충격재 및 상기 충격재의 이탈은 방지하되, 분말 원료의 이동은 허용하는 한 쌍의 격벽을 포함하는 분말 탈거 장치;를 포함하고,
    상기 격벽이 금속 메쉬로 이루어진 것을 특징으로 하는 로터리 킬른.

  2. 제1항에 있어서,
    상기 분말 탈거 장치가 복수개인 것을 특징으로 하는 로터리 킬른.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충격재가 스테인레스강, 연강 및 세라믹 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 로터리 킬른.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 충격재의 형상이 막대형 및 구형 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 로터리 킬른.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 본체부 내부에 길이 방향을 따라 형성되는 복수개의 배플(baffle)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 킬른.
  7. 분말 원료의 장입과 배출이 가능하도록 제공되고, 구동수단에 연계되어 회전 가능하게 지지되며 장입된 원료가 열처리되는 회전형 본체부, 분말 원료가 장입되는 방향과 대향되게 배치되고, 장입된 원료와 반응하는 반응가스를 공급하는 가스공급부, 장입된 원료와 반응가스가 반응하여 생성된 배가스가 배출되는 배가스배출부를 포함하는 로터리 킬른에 분말 원료를 장입하고 배소하되,
    상기 회전형 본체부의 내부에 위치하고 회전에 따라 낙하하여, 본체부에 대해 충돌하는 충격재가 본체부에 부착된 분말 원료를 탈착하며,
    상기 충격재의 이탈은 방지하되, 분말 원료의 이동은 허용하는 한 쌍의 격벽을 더 포함하고, 상기 격벽이 금속 메쉬로 이루어진 것을 특징으로 하는 로터리 킬른 내 분말 부착 방지 방법.
  8. 삭제
  9. 분말이산제와 양극물질을 혼합하여 혼합물을 얻는 단계;
    분말 원료의 장입과 배출이 가능하도록 제공되고, 구동수단에 연계되어 회전 가능하게 지지되며 장입된 원료가 열처리되는 회전형 본체부, 분말 원료가 장입되는 방향과 대향되게 배치되고, 장입된 원료와 반응하는 반응가스를 공급하는 가스공급부, 장입된 원료와 반응가스가 반응하여 생성된 배가스가 배출되는 배가스배출부를 포함하는 로터리 킬른에 상기 혼합물을 장입하는 단계; 및
    상기 로터리 킬른에 반응가스를 투입하여 상기 양극물질을 환원시키는 단계;를 포함하고,
    상기 로터리킬른은 상기 회전형 본체부의 내부에 위치하고 회전에 따라 낙하하며, 본체부에 대해 충돌하여 회전형 본체부에 부착된 분말 원료를 탈착하는 충격재 및 상기 충격재의 이탈은 방지하되, 분말 원료의 이동은 허용하는 한 쌍의 격벽을 포함하는고, 상기 격벽이 금속 메쉬로 이루어진 분말 탈거 장치; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
    폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 분말이산제가 흑연, 염화칼륨, 염화나트륨 및 석탄중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 분말이산제의 함량이 양극물질 100중량부에 대하여 5 내지 30중량부인 것을 특징으로 하는 폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 환원시키는 단계는 300 내지 550℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 환원시키는 단계는 30 내지 180분 동안 수행되는 것을 것을 특징으로 하는 폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질이 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 및 리튬으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 유가금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질이 리튬코발트 산화물(LiCoO2), 리튬코발트니켈망간 산화물(LiCoNiMnO2), 리튬코발트니켈 산화물(LiCo1-yNiyO2, 0<y<1), 리튬망간산화물(LiMnO2), 및 리튬니켈알루미늄 산화물(LiNi1-zAlzO2, 0.05<z<0.5)중에서 선택된 1종 이상의 리튬 복합금속 산화물을 포함하는, 폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원방법.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 분리된 리튬 화합물이 산화 리튬, 수산화 리튬 및 탄산 리튬 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 폐 리튬 이온전지의 유가금속 환원방법.
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