KR102209517B1 - 자동차용 폐이차전지 재활용시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차용 폐이차전지 재활용시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐이차전지에 포함되는 바인더물질과 전해질 분리막(PE 필름)을 열분해로 가스화하여 연료로 전환하고, 유가금속은 분해를 하고 냉각을 한 이후에 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)+금속혼합물(Cu, Al)로 추출하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 자동차용 폐이차전지 재활용시스템은, 내부에 투입된 폐이차전지에 포함된 바인더물질과 전해질 분리막을 열분해로 가스화하여 연료로 전환하고, 유가금속은 분해를 하고 냉각을 한 이후에 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)+금속혼합물(Cu, Al)로 추출하는 저온열분해설비;
상기 저온열분해설비 하부에 부설되어 저온열분해설비를 가열하는 버너;
상기 저온열분해설비 상부를 통해 배기된 배기가스를 정화하여 대기로 배출하는 대기오염방지시설; 및
상기 저온열분해설비 내부에서 발생한 합성가스를 저장하는 저장탱크;
를 포함하여 구성된다.

Description

자동차용 폐이차전지 재활용시스템 및 방법 {Waste Secondary Battery Recycling System for Vehicle and Method}
본 발명은 자동차용 폐이차전지 재활용시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐이차전지에 포함되는 바인더물질과 전해질 분리막(PE 필름)을 열분해로 가스화하여 연료로 전환하고, 유가금속은 분해를 하고 냉각을 한 이후에 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)+금속혼합물(Cu, Al)로 추출하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
스위스 투자은행 UBS는 2017년 전 세계 연간 자동차 생산량(약 1억 대)의 1% 수준인 전기차(약 100만 대) 비중이 2025년이 되면 14% 수준으로 높아질 것으로 전망하고 있다.
현재 국내 전기자동차 이차전지 생산업체의 수주잔량은 총 250조원 규모로 추정되고 있으며 수주량이 많은 만큼 제품의 생산량도 많아지고, 폐이차전지의 발생량과 이차전지 생산과정에서의 불량품의 수량도 절대적으로 증가할 수밖에 없는 현실이다.
환경 친화적 자동차의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률(약칭: 친환경자동차법)에서는 친환경자동차로 전기자동차, 플러그인 하이브리드, 하이브리드, 연료전지자동차(수소자동차), 태양광자동차를 말하며, 폐이차전지의 발생은 이러한 자동차를 통해 주로 발생한다.
또한, 전기자동차(EV)·에너지저장시스템(ESS) 보급 확산으로 자동차용 폐이차전지의 발생량도 2018년 15MWh 수준에서 2021년 약 8배인 118MWh로 급증할 전망이다.
또한, 최근에는 녹색성장과 태양광 에너지, 풍력 등의 신재생에너지에 대한 관심이 집중됨에 따라 전기자동차, 에너지저장시스템 등을 위한 대용량 이차전지의 수요가 급증하고 있다.
한편, 자동차용 이차전지로 가장 많이 사용되는 리튬이차전지는 일반적으로 양극 활물질을 포함하는 양극, 음극 활물질을 포함하는 음극, 세퍼레이터(분리막) 및 전해질로 구성되고 전체 생산원가의 50% 정도를 차지하며, 고리튬 이온의 삽입-탈리에 의해 충전 및 방전이 이루어지는 이차전지이다.
상기 생산원가의 50%를 차지하는 소재의 원가 중에는 양극이 가장 높은 비중을 차지하고 분리막, 음극, 전해질 순으로 원가 비중을 차지한다.
상기 자동차용 폐이차전지의 양극 활물질은 리튬(Li)과 함께 코발트(Co)를 비롯한 전이금속을 포함하는데, 상기 리튬 및 코발트는 비교적 고가의 금속이다.
성능과 품질이 중요한 자동차용 폐이차전지의 특성상 생산과정에서 많은 양의 불량품이 단계별로 발생하고 있는데, 폐기되는 불량품에는 코발트(Co), 니켈(Ni), 리튬(Li), 망간(Mn), 흑연(C) 등의 유가금속을 다량 함유하고 있고, 전극판은 구리(Cu)와 알루미늄(Al)으로 형성되어 있어 자동차용 폐이차전지의 불량품들은 재활용의 가치가 매우 뛰어난 폐기물이다.
특히, 코발트와 니켈은 희귀한 금속일 뿐만 아니라 전 세계적으로 물량확보 전쟁이 일어날 만큼 다양한 분야에 이용되고, 거의 전량을 수입에 의존하고 있는 국내의 현실 속에서 재활용을 통한 원료의 원활한 수급은 기업의 국제경쟁력을 상승시키는 원동력으로 작용할 수 있다.
종래에는 자동차용 폐이차전지의 재활용을 위해 폐이차전지를 밀링(milling)에 의해 파쇄, 분쇄하는 기계적 선별방법으로 금속판(분리막), 양극재(Co, Ni, Mn), 음극재(흑연)를 분리하고, 금속판과 블랙파우더(음극재와 양극재의 혼합물)의 분리는 크기에 따라 입도(粒度) 선별하며, 블랙파우더에서 음극재인 흑연을 제거하는 방법은 싸이클론에 의해 비중 선별한다.
그런데 이와 같은 종래의 재활용방법은 바인더물질에 의해 금속판과 블랙파우더가 강력하게 결합되어 있어 상호 분리가 어렵고, PE 필름은 분리막을 효과적으로 제거할 수 없으며 이에 따라 유가금속 회수율이 70% 이하로 효율성이 떨어지는 문제점이 있었다.
등록번호 제10-1889086호(공고일자 2018년08월17일)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 저온열분해에 의해 자동차용 폐이차전지에 포함되는 바인더물질과 전해질 분리막(PE 필름)을 효과적으로 제거하고, 유가금속은 분해를 하고 냉각을 한 이후에 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)+금속혼합물(Cu, Al)로 추출함으로써 유가금속 회수율을 90% 이상으로 개선하여 재활용 효율성을 향상시킬 수 있는 자동차용 폐이차전지 재활용시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 폐이차전지 재활용시스템은, 내부에 투입된 폐이차전지에 포함된 바인더물질과 전해질 분리막을 열분해로 가스화하여 연료로 전환하고, 유가금속은 분해를 하고 냉각을 한 이후에 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)+금속혼합물(Cu, Al)로 추출하는 저온열분해설비;
상기 저온열분해설비 하부에 부설되어 저온열분해설비를 가열하는 버너;
상기 저온열분해설비 상부를 통해 배기된 배기가스를 정화하여 대기로 배출하는 대기오염방지시설; 및
상기 저온열분해설비 내부에서 발생한 합성가스를 저장하는 저장탱크;
를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 버너는 오일버너 및 가스버너 다수 개가 복수 설치되어 이루어지고, 상기 가스버너는 저장탱크의 합성가스를 연료로 재사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 대기오염방지시설은 물을 분사하여 배기가스에 포함된 미세입자의 분진을 포집, 제거하는 2단 습식세정탑과, 배기가스에 포함된 각종 유기성 가스 및 악취를 흡수, 흡착하는 활성탄 흡착탑으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 저온열분해설비는 3개가 1세트로 구비되어 1일차에는 투입 가열, 2일차에는 상온 냉각, 3일차에는 추출의 순환시스템으로 운영되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 자동차용 폐이차전지 재활용방법은, (a) 폐이차전지를 저온열분해설비에 투입하고, 버너를 통해 3~5시간 가열하여 바인더물질과 전해질 분리막(PE 필름)을 제거하는 단계;
(b) 상기 버너를 끄고 저온열분해설비를 12~18시간 상온에서 냉각하는 단계;
(c) 상기 냉각에 의해 생성된 블랙파우더+금속혼합물을 추출하는 단계;
(d) 상기 버너에 의해 가열된 저온열분해설비의 배기가스를 대기오염방지시설에 보내어 정화한 후 대기로 배출하는 단계; 및
(e) 상기 저온열분해설비 내부에서 발생한 합성가스를 저장탱크에 저장하였다가 버너의 연료로 재사용하는 단계;
를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 (a)단계에서 저온열분해설비의 외부 온도(저온열분해설비 철판의 표면온도)는 130~170℃인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 (b)단계에서 송풍기를 가동하고 저온열분해설비를 회전시키는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 저온열분해에 의해 자동차용 폐이차전지에 포함되는 바인더물질과 전해질 분리막(PE 필름)을 효과적으로 제거하고, 유가금속은 분해를 하고 냉각을 한 이후에 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)+금속혼합물(Cu, Al)로 추출함으로써 유가금속 회수율을 90% 이상으로 개선하여 재활용 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 폐이차전지 재활용시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 폐이차전지 재활용방법을 나타내는 순서도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 폐이차전지 재활용시스템의 블록 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 폐이차전지 재활용시스템(100)은 저온열분해설비(110), 대기오염방지시설(120), 버너(130), 저장탱크(140) 및 이송수단(150)을 포함하여 구성된다.
저온열분해설비(110)는 일정량(예를 들어 15톤)의 폐이차전지를 수용하는 원통 형상이다.
상기 저온열분해설비(110)의 일측에는 파분쇄의 전처리없이 폐이차전지의 투입이 바로 이루어지는 투입구(111)가 형성되고, 타측에는 저온열분해설비(110) 내부에서 열분해된 후 냉각되어 생성된 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)+금속혼합물(Cu, Al)과 저온열분해설비(110)에서 발생한 합성가스를 배출하도록 통로를 이루는 배출관(113)이 수평으로 설치되며, 상측에는 배기가스를 대기오염방지시설(120)을 통해 정화시켜 대기로 배출하기 위한 배기구(116)가 다수 형성된다.
여기서, 저온열분해설비(110)는 일회의 열분해가 진행되는 과정에서 열손실을 방지하기 위하여 내부의 기밀이 계속적으로 유지되어야 한다.
따라서 저온열분해설비(110)는 일회의 작업으로 많은 양의 폐이차전지를 수용할 수 있도록 하기 위하여 대용량(예를 들어 약 40m3, 직경 2,700mm, 길이 7,000mm)으로 설계되는 것이 바람직하다.
또한, 내부에 투입되는 폐이차전지의 계속적인 유동이 있도록 저온열분해설비(110)의 내벽에는 스크류 형태로 커터(118)가 설치된다.
이와 더불어 저온열분해설비(110)는 브래킷과 롤러로 구성된 지지기반(117)의 지지를 받아 회전 가능한 상태로 놓이며, 측벽에는 둘레를 따라 기어(115)를 형성하고 일측에는 상기 기어(115)와 한 조를 이루는 피니언을 구비한 감속기어드 모터(112)가 설치되어 모터(112)의 구동에 의해 저온열분해설비(110)가 회전한다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 저온열분해설비(110)는 로터리 킬른(rotary kiln)으로 이루어진다.
또한, 상기 저온열분해설비(110)에는 저온열분해설비를 가열한 후 상온에서 냉각할 때 냉각효율을 높이기 위해 미도시된 송풍기가 더 구비될 수 있다.
상기 저온열분해설비(110) 하부에 부설되어 저온열분해설비를 가열하는 버너(130)는 오일버너(134) 및 가스버너(132) 다수 개를 복수 설치하는 것이 바람직하고, 이중 가스버너(132)는 본 시스템(100)에서 얻어 저장탱크(140)에 저장된 합성가스를 연료로 재사용할 수 있다.
상기 버너(130)의 화염은 화염분산장치에 의하여 분산되어 저온열분해설비(100)에 전열됨으로써 저온열분해설비(100)가 균질하게 온도 상승하게 된다.
상기 버너(130)에 의해 가열된 배기가스는 상부의 배기구(116)를 통해 대기오염방지시설(120)에 보내져 정화되고 난 후 대기로 배출된다.
상기 대기오염방지시설(120)은 2단의 습식세정탑(Wet Scrubber)과 활성탄 흡착탑(Activated Carbon Tower)으로 이루어진다.
상기 습식세정탑은 물(순환수)을 분사하여 배기가스에 포함된 미세입자의 분진을 포집, 제거하고, 활성탄 흡착탑은 배기가스에 포함된 각종 유기성 가스 및 악취를 흡수, 흡착하여 대기로 배출되기 전에 정화한다.
이때 물(순환수)은 또 다른 냉각순환수탱크(미도시) 및 그 배관계를 순환하여 폐수를 발생하지 않는다.
상기 저온열분해설비(110)에서 가열에 의해 생성된 합성가스는 저온열분해설비(110)의 압력이 대기압보다 약간 높아지는 상태가 되어 자연스럽게 측부의 배출관(113)을 통해 저장탱크(140)로 배출된다.
이와 같은 저온열분해설비(100)에 파분쇄없이 직접 투입된 폐이차전지는 저온열분해에 의해 폐이차전지에 포함되는 바인더물질과 전해질 분리막(PE 필름)이 제거되고, 또한, 이차전지 제조시 비자성물질로 바뀐 Ni, Co의 물성이 자성물질로 회복된다.
상기 배출관(113)의 내부에는 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)+금속혼합물(Cu, Al)을 이송시키는 이송수단(150)을 구성하는 이송스크류(154)가 구비되어 구동수단인 모터(152)에 의해 회전가능하게 설치된다.
상기 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)+금속혼합물(Cu, Al)은 크기에 따라 1회 이상 입도(粒度) 선별하고 분쇄하여 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)와 금속(구리(Cu), 알루미늄(Al) 등)으로 분리되며, 이중 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)는 상기 배출관(113)에 연결되는 배출스크류(156)에 의해 배출되어 선별장치(160)에 보내진다.
상기 선별장치(160)는 1회 이상의 자력 선별에 의해 예를 들어 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 리튬(Li), 흑연(탄소, C) 등을 분리한다.
한편, 상기 배출관(113)에 유입된 합성가스는 배출관(113)을 통해 저장탱크(140)에 저장되며 이후 가스버너(132)의 연료로 재투입되어 연소 후 배기가스와 함께 대기로 배출된다.
상기한 구성에서 저온열분해설비(110) 3개를 1세트로 구비하여 1일차에는 투입 가열, 2일차에는 상온 냉각, 3일차에는 추출의 순환시스템으로 운영하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 폐이차전지 재활용방법을 나타내는 순서도이다.
이차전지 생산시에 발생한 불량품이나, 전기자동차 등에 사용되어 수명을 다한 이차전지를 폐이차전지로 준비한다.
상기 폐이차전지에는 6% 정도의 바인더물질과 전해질 분리막(PE 필름) 등이 존재한다.
다음 예를 들어 1일차에는 상기 폐이차전지 예를 들어 15톤을 - 파분쇄하는 전처리 공정없이 바로 - 저온열분해설비(110)에 투입하고(S20), 버너(130)를 통해 3~5시간 정도 가열하여 바인더물질과 전해질 분리막(PE 필름)을 제거한다(S22).
이때 저온열분해설비(110)의 외부 온도(저온열분해설비 철판의 표면온도)는 130~170℃인 것이 바람직하고, 상기 외부 온도와 연동하는 저장탱크(140) 입구측의 내부 온도는 120~160℃인 것이 바람직하며, 이때 저온열분해설비(110)의 내부 온도는 250℃ 정도이다.
상기 외부 온도가 130℃ 이하에서는 전해질 분리막(PE 필름)이 가스화되지 않고 바인더물질이 분리되지 않으며, 170℃ 이상에서는 자체 발열로 덩어리가 지는 괴상화가 발생하고 분리가 불가능하다.
다음 예를 들어 2일차에는 버너(130)를 끄고 상기 저온열분해설비(120)를 12~18시간 동안 상온에서 냉각한다(S24).
이때 송풍기를 가동하고 로터리 킬른 즉, 저온열분해설비(110)를 회전시켜 냉각 효율을 높인다.
3일차에는 상기 배출관(113)과 이송수단(150)을 통해 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)+금속혼합물(Cu, Al)을 추출한다(S26).
이때 추출 온도는 70℃ 이하로 한다.
이후 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)+금속혼합물(Cu, Al)은 크기에 따라 입도(粒度) 선별하여 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)와 금속(구리(Cu), 알루미늄(Al) 등)으로 분리하고, 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)는 다시 자력 선별하여 분리한다.
한편, 버너(130)에 의해 가열된 저온열분해설비(110)의 배기가스(S30)는 상부의 배기구(116)를 통해 대기오염방지시설(120)에 보내져 정화되고(S32) 난 후 대기로 배출된다(S34).
즉, 상기 배기가스는 대기오염방지시설(120)의 습식세정탑에서 분사된 물에 의해 배기가스에 포함된 미세입자의 분진이 포집, 제거되고, 활성탄 흡착탑에서 배기가스에 포함된 각종 유기성 가스 및 악취가 흡수, 흡착되어 대기로 배출되기 전에 정화된다.
그리고 상기 저온열분해설비(110)에서 가열에 의해 생성된 합성가스는 배출관(113)을 통해 저장탱크(140)에 저장되며, 이후 가스버너(132)의 연료로 재투입되어 연소 후 배기가스와 함께 대기로 배출된다(S40).
상술한 바와 같이 본 발명은 기존 파분쇄의 기계적 처리방식의 문제점인 낮은 재활용률 및 효율성을 개선한 재활용시스템으로, 이차전지의 금속판과 음극재 및 양극재를 결합시키는 접합용 바인더물질과 전해질 분리막(PE 필름)으로 인하여 유가금속의 분리 및 회수율이 낮은 공법인 기존의 기계적 처리방식에서 벗어나, 저온열분해 방법을 통하여 바인더물질과 전해질 분리막은 가스화하여 저온열분해설비의 연료로 전환하고, 폐이차전지의 전극판인 금속판(Cu, Al)으로부터 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)를 분해하고, 냉각을 한 이후에 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)+금속혼합물(Cu, Al)을 파우더 형태로 추출함으로써 유가금속의 분리 및 회수율을 높일 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
100: 재활용시스템 110: 저온열분해설비
120: 대기오염방지시설 130: 버너
140: 저장탱크 150: 이송수단

Claims (7)

  1. 내부에 투입된 폐이차전지에 포함된 바인더물질과 전해질 분리막을 열분해로 가스화하여 연료로 전환하고, 유가금속은 분해를 하고 냉각을 한 이후에 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)+금속혼합물(Cu, Al)로 추출하는 저온열분해설비;
    상기 저온열분해설비 하부에 부설되어 저온열분해설비를 가열하는 버너;
    상기 저온열분해설비 상부를 통해 배기된 배기가스를 정화하여 대기로 배출하는 대기오염방지시설; 및
    상기 저온열분해설비 내부에서 발생한 합성가스를 저장하는 저장탱크;를 포함하고,
    상기 버너는 오일버너 및 가스버너 다수 개가 복수 설치되어 이루어지고, 상기 가스버너는 저장탱크의 합성가스를 연료로 재사용하는 것을 특징으로 하는 자동차용 폐이차전지 재활용시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 대기오염방지시설은 물을 분사하여 배기가스에 포함된 미세입자의 분진을 포집, 제거하는 2단 습식세정탑과, 배기가스에 포함된 각종 유기성 가스 및 악취를 흡수, 흡착하는 활성탄 흡착탑으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 폐이차전지 재활용시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저온열분해설비는 3개가 1세트로 구비되어 1일차에는 투입 가열, 2일차에는 상온 냉각, 3일차에는 추출의 순환시스템으로 운영되는 것을 특징으로 하는 자동차용 폐이차전지 재활용시스템.
  5. (a) 폐이차전지를 저온열분해설비에 투입하고, 버너를 통해 3~5시간 가열하여 바인더물질과 전해질 분리막(PE 필름)을 제거하는 단계;
    (b) 상기 버너를 끄고 저온열분해설비를 12~18시간 상온에서 냉각하는 단계;
    (c) 상기 냉각에 의해 생성된 블랙파우더(Co, Ni, Mn, Li, C)+금속혼합물(Cu, Al)을 추출하는 단계;
    (d) 상기 버너에 의해 가열된 저온열분해설비의 배기가스를 대기오염방지시설에 보내어 정화한 후 대기로 배출하는 단계; 및
    (e) 상기 저온열분해설비 내부에서 발생한 합성가스를 저장탱크에 저장하였다가 버너의 연료로 재사용하는 단계;
    를 포함하는 자동차용 폐이차전지 재활용방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (a)단계에서 저온열분해설비의 외부 온도(저온열분해설비 철판의 표면온도)는 130~170℃인 것을 특징으로 하는 자동차용 폐이차전지 재활용방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 (b)단계에서 송풍기를 가동하고 저온열분해설비를 회전시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 폐이차전지 재활용방법.
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