KR102426579B1 - 중대형 폐전지 방전시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중대형 폐전지 방전시스템에 관한 발명으로, 개폐도어를 구비하는 방폭구조의 케이스 형상으로 마련하여 중대형 폐전지로부터 분리된 배터리 팩, 모듈 또는 셀을 투입하도록 구비하는 방폭케이스유닛(110)과, 방폭케이스유닛(110)의 내부 상태를 실시간으로 감지하여 이상유무 또는 발화를 판별하도록 구비하는 방전상태감지유닛(120)과, 방폭케이스유닛(110)의 일측에서 전선을 연결하여 내부의 배터리 팩, 모듈 또는 셀과 접속하고 전기적 방전을 수행하도록 구비하는 방전유닛(130)과, 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 상기 방전유닛(130)의 방전 상태를 제어하도록 구비하는 방전제어유닛(140)과, 방폭케이스유닛(110)의 일측에서 상기 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 소화제를 공급 또는 회수하도록 구비하는 발화억제유닛(150)을 포함하여 구성함에 따라 보다 친환경적이고 안전하며 효율적인 전기적방전공정을 수행하는 방전시스템을 제공하는 것이 특징이다.
Description
본 발명은 중대형 폐전지 방전시스템에 관한 발명으로, 더욱 상세하게는 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지로부터 유가금속이 포함된 복합 화합물을 제조하고 유기불순물은 별도 회수하는 일련의 재활용 공정에 적용되는 방전시스템의 구성을 종래 기술과 차별하여 중대형 폐이차전지 팩·모듈의 발화 방지 및 안전하고 효율적인 전기적 방전을 위한 시스템 및 프로세스에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 충전 및 방전을 반복할 수 있는 전지로서 납축 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 등이 있다. 납축 전지나 니켈 카드뮴 전지에는 중금속 유해물질을 함유하고 있어 최근 이차전지 시장에는 리튬 이온 전지가 대부분을 차지하고 있다.
리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높아 각종 IT기기에 널리 적용되는 이차전지로서 양극과 음극 사이의 전해질을 통해 리튬 이온이 이동하는 전기적 흐름에 따라 전기를 발생한다. 이차전지의 최소단위인 배터리셀은 용기 내에 양극재, 음극재, 전해질, 및 분리막으로 구성되며, 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 분리막을 통과하여 음극으로 이동하고 방전 시에는 음극에서 양극으로 이동하도록 이루어진다.
이차전지의 양극재는 양극활물질인 니켈, 망간, 코발트, 알루미늄 등이 사용된다. 음극재는 음극활물질인 흑연, 탄소가 사용된다. 전해질은 리튬, 인산, 불소로 이루어지는 리튬염 및 유기 용매로 이루어진다.
한편, 최근 전기차 시장의 확대 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 사용 증가로 인해 사용 후 폐기되는 이차전지의 발생량 역시 기하급수적으로 증가할 것으로 전망하고 있으며 폐전지의 처리 방안에 대한 우려가 커지고 있다.
상술한 바와 같이 이차전지 내에는 리튬, 니켈, 망간, 코발트 등의 유가금속이 활물질로서 함유되어 있으므로 폐전지로부터 광물자원을 회수하기 위한 재활용 기술의 개발이 진행되고 있다.
공지된 기술의 일례로서, 한국등록특허 제 10 - 1220149 호에는 폐배터리팩을 분해하여 배터리셀을 얻는 단계와, 배터리셀을 절단하여 양극구조체와 음극구조체를 노출시키는 단계와, 양극구조체와 음극구조체가 노출된 배터리셀을 방전시키는 단계와, 배터리셀의 적어도 일부를 분쇄하고 입도분리하여 유가금속을 회수하는 단계와, 유가금속 분말을 환원분위기에서 황산용액을 포함하는 산용액으로 산침출하여 침출용액을 얻는 단계를 포함하는 폐배터리팩으로부터 유가금속 황산용액을 제조하는 방법을 구성한다.
종래 기술에 따른 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지의 재활용에 적용되는 방전시스템은 폐배터리를 전해질인 염수에 침지하여 방전시키는 화학적 방전 방식을 적용한다.
예컨대, 한국등록특허 제 10 - 1275849 호에는 폐리튬이온전지를 0.5~10% 농도의 염화나트륨(NaCl) 수용액으로 처리하여 부식 방전하고, 전해질, 분리막, 전극 복합체 및 집전체를 포함하고 있는 리튬이온전지 폐기물을 5 내지 15 mm의 크기로 파쇄하는 단계와, 파쇄물을 물로 세척하여 전해질을 제거한 후 전해질이 제거된 파쇄물을 비중분리하여 분리막을 제거하는 단계와, 전해질 및 분리막이 제거된 파쇄물을 1~4M 농도의 황산 용액으로 처리하여 파쇄물 중 집전체에 부착되어 있는 전극 복합체를 집전체와 박리시켜 회수하는 단계를 포함하는 리튬이온전지 재생공정의 전처리방법을 구성한다.
다른 예로서, 한국등록특허 제 10 - 2191858 호에는 폐리튬이온전지가 침전되어 방전되게 하는 염수조와, 방전이 완료된 폐리튬이온전지를 소정의 크기로 절단하는 절단기와, 소정의 크기로 절단된 절단 폐리튬이온전지를 소정의 건조 공정조건에서 건조하도록 건조 공간이 내부에 형성되는 건조 챔버와 및 복수 개의 건조용 열판을 포함하는 건조기와, 건조가 완료된 절단 폐리튬이온전지를 분쇄하는 분쇄기와, 분쇄기로 분쇄된 가루로부터 활물질인 코발트, 니켈, 망간, 탄소, 구리, 알루미늄 등의 원료를 선별 분리하는 선별기를 포함하는 폐리튬이온전지의 원료 회수시스템을 구성한다.
상술한 바와 같이 종래 기술에 따른 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지의 재활용에 적용되는 방전시스템은 폐배터리를 전해질인 염수에 침지하여 방전시키는 화학적 방전 방식을 적용하여 이루어진다.
염화나트륨은 염화 이온(Cl-)과 나트륨 이온(Na+)의 정전기적 인력에 의하여 결합되어 있으므로 고체 상태에서 전기를 띤 입자가 존재한다. 염화나트륨을 물과 섞어 액체 상태인 염수로 만들면 구성 입자들이 액체에 해리되어 이온 상태로 존재하는 전해질이 된다. 폐배터리를 염수에 침지하면 배터리의 양극 및 음극으로 전해질인 염수가 이동하면서 전류가 흐르고 방전이 이루어지는 것이다.
이와 같은 종래의 화학적 방전시스템은 시스템의 구성이 매우 간편하고 경제적이며 폐전지를 염수에 침지한 상태에서 방전이 이루어지므로 화재나 폭발의 위험이 비교적 낮은 등의 이점이 있어 에너지 밀도가 높은 중대형 폐전지의 방전시스템에서 안전성 확보를 위해 주로 적용된다.
그러나, 이와 같은 종래의 화학적 방전시스템은 완전 방전까지의 속도가 매우 느린 단점이 있다. 특히, 폐전지가 염수에 의해 부식되면서 내부의 유해화학물질이 침출되어 다량의 폐수가 발생하므로 별도의 폐기물로 처리가 필요하며, 이는 추후 전기차 배터리 시장의 규모 확대로 인해 환경부하가 더욱 가중될 것으로 예상되는 실정이다.
또한, 종래 기술에 따른 화학적 방전시스템은 배터리셀을 절단 혹은 천공 후에 염수에 침지하여 방전하도록 이루어지므로 내부의 활물질이 방전조로 누출되는 등 유가금속을 회수하기 위한 폐전지 재활용 공정에 로스가 발생하는 문제점이 있다.
최근에는 전기차, 전기보트, 군용차량 및 운영시스템에서 발생되는 사용 후 중대형 폐전지의 효율적인 처리를 위해 전기적 방전 방식을 일부 채택하여 활용하고 있으나 화재나 폭발에 대비할 수 있는 별도의 시스템은 없는 실정이다.
이에 본 발명에서는 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서,
개폐도어를 구비하는 방폭구조의 케이스 형상으로 마련하여 중대형 폐전지로부터 분리된 배터리 팩, 모듈 또는 셀을 투입하도록 구비하는 방폭케이스유닛(110)과,
상기 방폭케이스유닛(110)의 내부 상태를 실시간으로 감지하여 이상유무 또는 발화를 판별하도록 구비하는 방전상태감지유닛(120)과,
상기 방폭케이스유닛(110)의 일측에서 전선을 연결하여 내부의 배터리 팩, 모듈 또는 셀과 접속하고 전기적 방전을 수행하도록 구비하는 방전유닛(130)과,
상기 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 상기 방전유닛(130)의 방전 상태를 제어하도록 구비하는 방전제어유닛(140)과,
상기 방폭케이스유닛(110)의 일측에서 상기 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 소화제를 공급 또는 회수하도록 구비하는 발화억제유닛(150)을 포함하여 구성함으로써 보다 친환경적이고 안전하며 효율적인 전기적방전공정을 수행하는 방전시스템을 제공할 수 있는 목적 달성이 가능하다.
본 발명은 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지로부터 유가금속이 포함된 복합 화합물을 제조하고 유기불순물은 별도 회수하는 일련의 재활용 공정에 적용되는 방전시스템을 제공한다.
특히, 본 발명은 종래의 염수를 이용한 화학적 방전시스템에 비해 친환경적인 전기적 방전 방식을 적용함으로써 염수 폐기물 발생에 따른 환경적 부하를 현저히 저감하여 보다 친환경적인 방전공정의 수행이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전기적 방전 과정에서 발생할 수 있는 발열 또는 스웰링 현상 등의 이상유무를 실시간으로 감지하고 자동화된 발화 억제 메커니즘을 적용함으로써 전기적방전공정에 대한 높은 안전성을 확보하고 중대형 폐전지의 방전 시간을 단축하여 공정 효율성을 현저히 향상하며, 발화 억제에 사용된 소화제는 회수 및 재활용하여 환경적 및 경제적으로 다양한 이점을 가진다.
따라서, 본 발명은 전기차 및 ESS의 수요 확대 전망에 따라 폐전지의 재활용 공정에 적용하여 환경보호, 안전성, 및 효율성을 충족할 수 있는 방전시스템을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 중대형 폐전지 방전시스템의 블록 구성도.
도 2는 본 발명의 실험 예 2에 따른 방전 종류별 전압변화 그래프.
도 3은 본 발명의 실험 예 3에 따른 방전 전류 세기별 온도 변화 그래프.
도 4는 본 발명의 실험 예 3에 따른 방전 전류 세기별 열화상이미지.
도 2는 본 발명의 실험 예 2에 따른 방전 종류별 전압변화 그래프.
도 3은 본 발명의 실험 예 3에 따른 방전 전류 세기별 온도 변화 그래프.
도 4는 본 발명의 실험 예 3에 따른 방전 전류 세기별 열화상이미지.
이하, 본 발명의 중대형 폐전지 방전시스템의 바람직한 실시 예에 따른 구성과 작용을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기의 설명에서 당해 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 구현할 수 있는 부분에 대한 구체적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 중대형 폐전지 방전시스템의 블록 구성도, 도 2는 본 발명의 실험 예 2에 따른 방전 종류별 전압변화 그래프, 도 3은 본 발명의 실험 예 3에 따른 방전 전류 세기별 온도 변화 그래프, 도 4는 본 발명의 실험 예 3에 따른 방전 전류 세기별 열화상이미지를 도시한 것이다.
본 발명의 기술이 적용되는 중대형 폐전지 방전시스템은 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지의 재활용 공정에 적용되는 방전시스템의 구성을 종래 기술과 차별하여 보다 친환경적이고 안전하며 효율적인 전기적방전공정이 이루어지도록 하는 방전시스템 기술에 관한 것임을 주지한다.
전기차 또는 ESS에 사용된 리튬 이온 이차전지의 배터리팩은 배터리모듈 및 배터리셀로 분리된다.
폐전지는 사각형 알루미늄 용기 내에 양극재, 음극재, 전해질, 및 분리막으로 구성되는 배터리셀을 기본 단위로 모듈 및 팩을 구성한다. 폐전지의 재활용 공정에서는 배터리셀에 포함되는 니켈, 코발트, 망간 등의 활물질을 수득하고 기타 불순물은 별도 회수하여 처리하는 일련의 공정을 수행하며, 이를 위해서는 폐전지의 기계적인 파쇄가 불가피하다.
이때, 폐전지 내부의 전기에너지가 충분한 상태에서 별도의 방전처리 없이 파쇄할 경우 화재 및 폭발의 위험이 매우 높다. 특히 전기차에 사용되는 전지와 같이 중대형 용량의 폐전지와 같이 내부에 잔류하는 전기에너지가 많으면 많을수록 위험 강도가 높아진다.
종래 기술에서는 폐전지를 완전 방전하기 위하여 염수에 침지하는 화학적 방전 방식을 적용하였으나 완전 방전까지의 속도가 느린 것은 물론, 침지된 염수는 유해화학물질로 인해 별도의 처리가 필요한 등의 문제가 있는바, 본 발명에서는 종래와 차별된 전기적방전공정을 수행하는 방전시스템을 제공한다.
이를 위한 본 발명의 중대형 폐전지 방전시스템은 폐배터리를 수용하는 방폭케이스유닛(110)과, 방전상태감지유닛(120), 방전유닛(130), 방전제어유닛(140), 발화억제유닛(150)을 포함하여 구성하며 구체적으로는 하기와 같다.
상기 방폭케이스유닛(110)은 개폐도어를 구비하는 방폭구조의 케이스 형상으로 마련하여 중대형 폐전지로부터 분리된 배터리 팩, 모듈 또는 셀을 투입하도록 구비한다.
상기 방폭케이스유닛(110)은 배터리 팩, 모듈 또는 셀을 내부에 수용하도록 구비하며 폐배터리 종류별 방전 대상에 따라서 다양한 형태의 케이스를 적용할 수 있다.
상기 방폭케이스유닛(110)의 크기는 폐배터리에 대한 적절한 방전 환경을 제공하면서 후술하게 될 발화억제유닛(150)에 의해 소화제가 공급 시 충분한 발화 억제가 이루어지기 위한 적정 수위를 도출하도록 방전 대상의 약 3 ~ 5배 크기의 내부 공간을 확보하도록 구성한다.
상기 방폭케이스유닛(110)의 일측에는 개폐도어를 마련하는바, 케이스와 함께 방폭구조를 형성하여 폐배터리의 방전 과정에서 발생할 수 있는 화재 및 폭발 시 산소 및 열을 차단하고 외부 확산을 최소화하도록 구비한다.
상기 방전상태감지유닛(120)은 상기 방폭케이스유닛(110)의 내부 상태를 실시간으로 감지하여 이상유무 또는 발화를 판별하도록 구비한다.
상기 방전상태감지유닛(120)은 폐배터리의 방전이 진행되는 과정에서 방폭케이스유닛(110)의 내부의 온도 및 압력변화, 가스발생 유무를 실시간으로 감지하여 후술하게 될 방전제어유닛(140) 및 발화억제유닛(150)의 작동이 이루어지도록 구성하며, 가스감지모듈(121)과, 온도감지모듈(122)과, 압력감지모듈(123)을 포함한다.
상기 가스감지모듈(121)은 상기 방폭케이스유닛(110)의 내부에 설치하여 폐전지의 방전 과정에서 발생하는 가스를 감지하도록 구비한다.
상기 온도감지모듈(122)은 상기 방폭케이스유닛(110)의 내부에 설치하여 폐전지의 방전 과정에서 내부 온도를 감지하도록 구비한다.
상기 압력감지모듈(123)은 상기 방폭케이스유닛(110)의 내부에 설치하여 폐전지의 방전 과정에서 내부 압력을 감지하도록 구비한다.
상기 방전상태감지유닛(120)은 폐전지의 방전 과정에서 과열에 따른 화재 또는 폭발 상황이 발생 시 가스, 온도, 압력에 대한 감지 결과가 각각의 기설정된 제어조건을 벗어나면 이상 또는 발화로 판별하고 방전제어유닛(140) 및 발화억제유닛(150)에 신호를 전송하도록 구성한다.
상기 방전상태감지유닛(120)은 폐배터리의 방전이 진행되는 과정에서 방폭케이스유닛(110) 내부의 폐전지에 대한 열화상 및 스웰링 현상을 실시간으로 감지하도록 열화상촬영모듈(124)과, 스웰링감지모듈(125)을 포함한다.
상기 열화상촬영모듈(124)은 상기 방폭케이스유닛(110)의 일측에 설치하여 폐전지의 방전 과정에서 발생하는 열을 탐지하고 화상으로 표시하도록 구비한다.
상기 열화상촬영모듈(124)은 폐전지가 방전되는 과정에서 폐전지 심부의 온도 변화 및 폐전지의 크기 변화를 실시간으로 화상으로 표시하여 기설정된 제어조건을 벗어나면 이상 또는 발화 위험 상태로 판별하고 후술하게 될 방전제어유닛(140) 및 발화억제유닛(150)에 신호를 전송하도록 구성한다.
상기 스웰링감지모듈(125)은 상기 열화상촬영모듈(124)에 의해 촬영된 영상으로부터 폐전지의 방전 과정에서 체적변화율을 산출하여 스웰링 상태를 감지하도록 구비한다.
상기 스웰링감지모듈(125)은 상기 열화상촬영모듈(124)에 촬영되는 영상을 처리하여 폐배터리의 크기 변화를 수치적으로 해석하고 실시간 체적변화율을 산출하여 기설정된 제어조건을 벗어나면 스웰링 현상에 따른 이상 또는 발화 위험 상태로 판별하고 후술하게 될 방전제어유닛(140) 및 발화억제유닛(150)에 신호를 전송하도록 구성한다.
상기 방전유닛(130)은 상기 방폭케이스유닛(110)의 일측에서 전선을 연결하여 내부의 배터리 팩, 모듈 또는 셀과 접속하고 전기적 방전을 수행하도록 구비한다.
상기 방전유닛(130)은 통상의 이차전지에 대한 전기적방전공정을 수행하는 방전기를 적용하여 폐배터리 내부 전기에너지를 제거하도록 구비하며, 방전전류의 세기에 따라서 방전 시간을 제어하도록 구성한다. 폐배터리에서 제거된 전기에너지는 방전유닛(130)의 구성방식에 따라 저항소자를 통한 전기에너지의 제거 방식, 별도 축전기 연결을 통한 전기에너지 회수 방식 등을 적용 가능하도록 하여 그 구성에 있어 제한을 두지 않는다.
폐전지에는 일정 전압 이하에서 급격하게 전압이 감소하는 구간이 존재하므로 완전 방전을 위해 이 구간에서 전기적 방전을 지속할 경우 폐전지에서 발열과 함께 전지가 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생할 수 있는바, 상기 방전유닛(130)은 작업 상황에 따라서 적정 전류세기를 적용하여 폐전지의 전기적방전공정을 수행하도록 일반방전모드 또는 급속방전모드 중에서 선택적으로 설정 가능하도록 구성한다.
상기 방전유닛(130)의 일반방전모드는 3 ~ 4시간 내에 폐전지의 완전 방전이 이루어지는 전류세기로서 0.3C에서 방전을 수행하도록 구비한다.
상기 방전유닛(130)의 급속방전모드는 1 ~ 3시간 내에 폐전지의 완전 방전이 이루어지는 전류세기로서 1C ~ 0.5C에서 방전을 수행하도록 구비한다.
상기 방전제어유닛(140)은 상기 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 상기 방전유닛(130)의 방전 상태를 제어하도록 구비한다.
상기 방전제어유닛(140)은 폐전지의 방전 과정에서 상기 방전상태감지유닛(120)에 의한 실시간 감지 결과에 따라서 상기 방전유닛(130)을 제어하여 위험 발생을 최소화하도록 압력제어모듈(141)과, 방전제어모듈(142)을 포함한다.
상기 압력제어모듈(141)은 상기 방폭케이스유닛(110)의 일측에 설치하고 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 폐전지의 방전 과정에서 압력에 대한 감지 결과를 실시간 체크하도록 구비한다.
상기 압력제어모듈(141)은 압력변 혹은 감압밸브를 적용할 수 있으며, 압력이 기설정된 제어조건을 벗어나면 방폭케이스유닛(110)의 내부 압력을 조절하여 폭발 등의 발생 가능성을 저감하도록 구비한다.
상기 방전제어모듈(142)은 상기 방전유닛(130)과 방폭케이스유닛(110) 사이에 설치하고 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 폐전지의 방전 과정에서 가스, 온도, 압력, 열화상, 스웰링에 대한 감지 결과를 실시간 체크하도록 구비한다.
상기 방전제어모듈(142)은 상기 방폭케이스유닛(110)과 방전유닛(130) 사이에 중간 터미널을 구비하여 감지 결과가 기설정된 제어조건을 벗어나면 전류를 차단하여 방전을 신속하게 중단하고 위험 상황에 대비하도록 구성한다.
상기 발화억제유닛(150)은 상기 방폭케이스유닛(110)의 일측에서 상기 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 소화제를 공급 또는 회수하도록 구비한다.
상기 발화억제유닛(150)은 상기 방전상태감지유닛(120)에 의한 실시간 감지 결과에 따라서 화재 발생 시 신속한 소화가 이루어지도록 소화제를 투입하도록 소화제공급모듈(151)과, 공급제어모듈(155)을 포함한다.
상기 소화제공급모듈(151)은 상기 방폭케이스유닛(110)의 일측에서 소화제공급관(152) 및 공급밸브(153)를 연결하여 구비한다.
상기 소화제공급관(152)은 상기 방폭케이스유닛(110) 내부에 설치하는 소화제공급구와 외부에 마련되는 소화제제공부(154)를 연결하도록 구비한다. 상기 소화제제공부(154)는 예컨대, 소화제를 저장하는 탱크타입, 혹은 직수나 이동식 탱크타입을 적용할 수 있다.
상기 공급밸브(153)는 후술하게 될 공급제어모듈(155)과 연동하여 자동 개폐가 이루어지도록 구비한다.
상기 공급제어모듈(155)은 상기 소화제공급모듈(151) 및 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 폐전지의 방전 과정에서 가스, 온도, 압력, 열화상, 스웰링에 대한 감지 결과를 실시간 체크하도록 구비한다.
상기 공급제어모듈(155)은 감지 결과가 기설정된 제어조건을 벗어나면 상기 공급밸브(153)의 개폐를 제어하여 상기 방폭케이스유닛(110) 내부에 설치된 소화제공급구를 통해 소화제를 공급하여 화재 발생 시 자동 소화가 이루어지도록 구성한다.
상기 소화제공급모듈(151) 및 공급제어모듈(155)에 의해 상기 방폭케이스유닛(110) 내부의 소화제공급구를 통해 공급되는 소화제는 폐전지 높이의 2 ~ 3배 가량의 용량으로 공급하도록 구비하여 기류를 완전히 차단하고 신속한 소화가 이루어지도록 구성한다.
상기 발화억제유닛(150)에는 상기 소화제공급모듈(151)에 의한 화재 진화가 완료되면 사용된 소화제를 회수하여 재사용 가능하도록 소화제화수모듈과, 회수제어모듈(159)을 포함한다.
상기 소화제공급모듈(151)에 의해 상기 방폭케이스유닛(110) 내부에 분사된 소화제는 화재나 폭발 등으로 인해 손상된 폐전지가 완전히 침지된 상태에서 일부 유해화학물질이 침출될 수 있다. 본 발명에서는 상기 방화억제유닛에 소화제회수모듈(156)을 구비하여 소화제를 외부로 방류하지 않고 수회 재사용하여 환경부하를 저감하도록 구성한다.
상기 소화제회수모듈(156)은 상기 방폭케이스유닛(110)의 일측에서 소화제회수관(157) 및 회수펌프(158)를 연결하여 구비한다.
상기 소화제회수관(157)은 상기 방폭케이스유닛(110) 내부에 설치하는 소화제배출구와 외부에 마련되는 상기 소화제제공부(154)를 연결하도록 구비한다.
상기 회수펌프(158)는 후술하게 될 회수제어모듈(159)과 연동하여 자동 작동이 이루어지도록 구비한다.
상기 회수제어모듈(159)은 상기 소화제회수모듈(156) 및 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 방폭케이스유닛(110)의 내부 상태가 소화 완료되면 회수펌프(158)의 작동을 제어하여 방폭케이스유닛(110) 내부에 공급된 소화제를 회수하고 소화제공급모듈(151)에서 재사용 가능하도록 구비한다.
전술한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 기술이 적용된 중대형 폐전지 방전시스템에 의한 전기적방전공정을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다. 이하의 설명은 본 발명에 대하여 바람직한 실시 예를 들어 설명하는 것이므로 본 발명은 하기 실시 예에 의해 한정되는 것이 아니며 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 제공될 수 있음은 당연하다 할 것이다.
본 발명은 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지를 이용하여 유가금속이 포함된 복합 화합물을 제조하고 유기불순물은 별도 회수하도록 이루어지는 폐전지 친환경 재활용에 적용되는 전기적방전공정을 수행하는 방전시스템을 구성하며, 방폭케이스유닛(110)과, 방전상태감지유닛(120), 방전유닛(130), 방전제어유닛(140), 발화억제유닛(150)으로 이루어진다.
우선, 방전 대상이 되는 중대형 폐전지를 방폭케이스유닛(110)에 투입한다. 전기차 또는 ESS에 사용된 리튬 이온 이차전지의 배터리팩, 또는 이를 분리한 모듈 또는 셀을 투입하고 전선을 연결하여 방전유닛(130)과 접속한다.
방전유닛(130)을 작동하여 폐전지의 배터리셀 내부 전기에너지를 제거한다. 방전전류의 세기에 따라서 일반방전모드 또는 급속방전모드를 선택하여 공정 시간을 제어한다.
폐전지에는 일정 전압 이하에서 급격하게 전압이 감소하는 구간이 존재하므로 완전 방전을 위해 이 구간에서 전기적 방전을 지속할 경우 폐전지에서 발열과 함께 전지가 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 방전유닛(130)은 안전성 확보를 위해 일반방전모드를 선택하여 3 ~ 4시간 내에 배터리셀의 완전 방전이 이루어지는 적정 전류세기로서 0.3C에서 방전을 수행하거나, 필요에 따라서 급속방전모드를 선택하여 1 ~ 3시간 내에 배터리셀의 완전 방전이 이루어지는 급속방전 전류세기로서 1C ~ 0.5C 또는 에서 방전을 수행한다.
상기와 같이 폐전지의 방전을 수행하는 과정에서 방전상태감지유닛(120)은 방폭케이스유닛(110)의 내부 상태를 가스감지모듈(121), 온도감지모듈(122), 압력감지모듈(123), 열화상촬영모듈(124), 스웰링감지모듈(125)에 의해 실시간으로 감지하여 감지하여 이상유무 또는 발화를 판별한다.
방전상태감지유닛(120)에 의한 감지 결과가 각각의 기설정된 제어조건을 벗어나면 이상 또는 발화로 판별하고 방전제어유닛(140) 및 발화억제유닛(150)에 신호를 전송하여 방전을 중단하고 소화제를 공급하도록 한다.
방전제어유닛(140)은 압력제어모듈(141)에의해 방폭케이스유닛(110) 내부의 압력을 조절하고, 방전제어모듈(142)에 의해 전류를 차단하여 방전을 중단한다.
발화억제유닛(150)은 공급제어모듈(155)에 의해 소화제공급모듈(151)의 공급밸브(153)를 개방하여 소화제공급관(152)을 통해 방폭케이스유닛(110) 내부로 소화제를 공급한다. 소화제는 일반적으로 물을 사용하며, 1 ~ 5% 농도의 염수를 사용할 수 있다. 염의 농도가 상기 범위를 초과할 경우 소화 시에 수분증발 현상으로 인해 방폭케이스유닛(110) 내부에 스케일이 발생할 수 있다. 소화제의 수위는 폐전지 높이의 2 ~ 3배 가량으로 공급하여 기류를 완전히 차단하고 신속한 소화를 진행한다.
아울러, 발화억제유닛(150)은 회수제어모듈(159)에 의해 소화제회수관(157)의 회수펌프(158)를 작동하여 소화제회수관(157)을 통해 방폭케이스유닛(110) 내부에 공급된 소화제를 소화제제공부(154)로 회수한다. 회수된 소화제는 추후 화재 등이 재발 시 소회제공급모듈을 통해 재활용하여 폐기물 발생을 최소화한다.
이하에서는 전술한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 기술이 적용된 중대형 폐전지 방전시스템을 이용한 실험 예를 구성하고 그 효과에 대해서 면밀하게 파악하고자 한다.
<실험 예 1>
종래 기술이 적용되는 폐전지 방전시스템에 의하여 증류수 및 염수를 이용한 화학적 방전 공정을 실시하고 그에 따라 발생하는 폐수를 이용하여 IC분석을 진행였으며, 그 결과는 하기 표 1에 기재한 바와 같다.(단위: mg/L, ppm)
| 구분 | F-(Fluoride) | Cl-(Chloride) | Li+(Lithium) | Na+(Sodium) |
| 증류수 | 37.9 | 17.6 | 469 | 58.5 |
| 염수(NaCl) | - | 28,800 | 81.9 | 21,900 |
종래 기술에 따른 화학적 방전시스템에서 발생하는 폐수에는 생태독성물질인 Li과 고위험 물질인 F이 다량 검출되는 것을 확인하였다. 이는 폐전지에 활용되는 전해액이 화학적 방전 공정을 거치면서 증류수 또는 염수와 섞이게 되어 검출된 것으로 예상된다. 일반적인 전해액의 예상 물질은 리튬염(LiPF6, LiBF4, LiClO4)과 유기용매(EC, PC, DMC, DEC 등)의 혼합물이다. 또한, 중대형 배터리셀에 대한 화학적 방전의 공정시간은 사용되는 염수의 농도와 천공 유무 등의 조건에 따라 다소 차이가 있으나 일반적으로 상온의 조건에서 완전 방전을 기준으로 6 ~ 12시간, 길게는 24시간의 방전시간이 소요되었다.
<실험 예 2>
종래 기술에 따른 증류수 및 염수를 이용한 화학적 방전시스템에 의한 방전공정과, 본 발명에 따른 전기적 방전시스템에 의한 방전공정을 실시하고 소요 시간에 따른 전압 변화를 측정하였으며, 그 결과는 하기 도 2의 그래프와 같다.
본 발명은 일반방전모드에서 공정시간을 0.3C를 기준으로 3시간 내지 4시간에서 0V까지 방전이 가능하며, 급속방전모드에서 0.5C이상으로 방전할 경우 2시간 내지 3시간에서 종료되므로 공정시간을 더욱 효과적으로 줄일 수 있게 된다.
본 발명에 따른 전기적 방전시스템은 0V까지 방전 후에도 배터리셀 내부의 이온의 화학적인 이동으로 인해 전압이 다시 회복되는 현상이 있으며 회복된 전압을 다시 방전하더라도 전압이 다시 회복되게 된다. 따라서, 본 발명의 방전시스템에는 급속방전모드 및 화재 발생을 제어하도록 방전제어유닛(140), 발화억제유닛(150)을 포함하여 신속하게 대응할 수 있다.
<실험 예 3>
본 발명에 따른 방전시스템에 의한 전기적방전공정을 실시하고 방전상태감지유닛(120)의 온도감지모듈(122), 열화상촬영모듈(124), 스웰링감지모듈(125)로부터 방전 전류의 세기에 따른 온도 변화, 스웰링 현상을 확인하였으며, 그 결과는 하기 표 2 및 도 3의 그래프, 도 4의 열화상이미지와 같다.
| 구분 | 0.1C | 0.2C | 0.3C | 0.4C | ||||
| 시간(hr) | 모듈전압(V) | 모듈온도 (℃) |
모듈전압(V) | 모듈온도 (℃) |
모듈전압(V) | 모듈온도 (℃) |
모듈전압(V) | 모듈온도 (℃) |
| 0 | 22.39 | 20.6 | 22.93 | 21.3 | 22.89 | 2039 | 22.9 | 19.3 |
| 0.5 | 22.11 | 20.6 | 22.37 | 21.3 | 21.89 | 20.90 | 21.67 | 19.50 |
| 1 | 21.82 | 21.4 | 21.8 | 21.4 | 21.4 | 20.9 | 21.06 | 20.3 |
| 1.5 | 21.69 | 21.4 | 21.51 | 23.2 | 20.62 | 21.8 | 19.32 | 23.7 |
| 2 | 21.55 | 21.0 | 21.22 | 23.2 | 19.23 | 23.5 | 0.14 | 34.1 |
| 2.5 | 21.40 | 21.0 | 20.77 | 23.10 | 0.21 | 30.90 | - | - |
| 3 | 21.25 | 20.2 | 20.31 | 23 | - | - | - | - |
| 3.5 | 21.00 | 20.2 | 12.19 | 28.45 | - | - | - | - |
| 4 | 20.74 | 22.2 | 0.02 | 33.9 | - | - | - | - |
| 4.5 | 20.47 | 22.2 | - | - | - | - | - | - |
| 5 | 20.19 | 23.3 | - | - | - | - | - | - |
| 5.5 | 17.42 | 24.0 | - | - | - | - | - | - |
| 6 | 12.58 | 24.5 | - | - | - | - | - | - |
| 6.5 | 9.36 | 26.1 | - | - | - | - | - | - |
| 7 | 7.74 | 26.8 | - | - | - | - | - | - |
| 7.5 | 5.51 | 27.2 | - | - | - | - | - | - |
| 8 | 3.28 | 28.8 | - | - | - | - | - | - |
| 8.5 | 0 | 29.8 | - | - | - | - | - | - |
방전 전류의 세기가 증가함에 따라 시간당 온도 변화폭이 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 본 실험 예의 경우 19 ~ 20V(Cell 기준 3.1 ~ 3.3V)사이에서 전압이 급격히 떨어지며 이후에 내부에서 발열이 심하게 발생하였다. 또한, 내부 발열과 함께 배터리셀이 팽창하는 스웰링 현상이 동시에 발생하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 방전시스템에는 중대형 폐전지에 대한 급속방전모드를 통해 공정 효율성을 증대함과 동시에 화재 및 폭발에 대해 신속한 대응이 이루어지도록 방전제어유닛(140), 발화억제유닛(150)을 안전장치로서 마련하여 안전성을 확보한다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 중대형 폐전지 방전시스템은 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지로부터 유가금속이 포함된 복합 화합물을 제조하고 유기불순물은 별도 회수하는 일련의 재활용 공정에 적용되는 방전시스템을 제공한다.
본 발명은 종래의 화학적 방전시스템에 비해 친환경적인 전기적 방전 방식을 적용함으로써 폐기물 발생에 따른 환경적 부하를 현저히 저감하여 보다 친환경적인 방전공정의 수행이 가능한 점과 전기적 방전공정 상에서 발생할 수 있는 폭발 및 화재에 대한 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 전기적 방전 과정에서 발생할 수 있는 발열 또는 스웰링 현상 등의 이상유무를 실시간으로 감지하고 자동화된 발화 억제 메커니즘을 적용함으로써 전기적방전공정에 대한 높은 안전성을 확보하고 중대형 폐전지의 방전 시간을 단축하여 공정 효율성을 현저히 향상하며, 발화 억제에 사용된 소화제는 회수 및 재사용할 수 있기 때문에 환경적 및 경제적으로 다양한 이점을 가진다.
따라서, 본 발명의 중대형 폐전지 방전시스템은 향후 전기차 및 ESS의 수요 확대에 대비하여 안전성 및 효율성을 증진하는 물론, 환경문제에 대한 기술적 과제를 해소할 수 있는 등의 다양한 효과를 가지므로 산업상 이용 가능성이 매우 클 것으로 기대된다.
110: 방폭케이스유닛 120: 방전상태감지유닛
121: 가스감지모듈 122: 온도감지모듈
123: 압력감지모듈 124: 열화상촬영모듈
125: 스웰링감지모듈 130: 방전유닛
140: 방전제어유닛 141: 압력제어모듈
142: 방전제어모듈 150: 발화억제유닛
151: 소화제공급모듈 152: 소화제공급관
153: 공급밸브 154: 소화제제공부
155: 공급제어모듈 156: 소화제회수모듈
157: 소화제회수관 158: 회수펌프
159: 회수제어모듈
121: 가스감지모듈 122: 온도감지모듈
123: 압력감지모듈 124: 열화상촬영모듈
125: 스웰링감지모듈 130: 방전유닛
140: 방전제어유닛 141: 압력제어모듈
142: 방전제어모듈 150: 발화억제유닛
151: 소화제공급모듈 152: 소화제공급관
153: 공급밸브 154: 소화제제공부
155: 공급제어모듈 156: 소화제회수모듈
157: 소화제회수관 158: 회수펌프
159: 회수제어모듈
Claims (7)
- 중대형 폐전지로부터 분리된 배터리 팩, 모듈 또는 셀을 투입하도록 개폐도어를 구비하는 방폭구조의 케이스 형상으로 구비하는 방폭케이스유닛(110)과,
상기 방폭케이스유닛(110)의 내부 상태를 실시간으로 감지하여 폐전지의 방전이 진행되는 과정에서 이상유무 또는 발화를 판별하도록 구비하는 방전상태감지유닛(120)과,
상기 방폭케이스유닛(110)의 일측에서 전선을 연결하여 내부의 배터리 팩, 모듈 또는 셀과 접속하고 전기적 방전을 수행하도록 구비하는 방전유닛(130)과,
상기 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 상기 방전유닛(130)의 방전 상태를 제어하도록 구비하는 방전제어유닛(140)과,
상기 방폭케이스유닛(110)의 일측에서 상기 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 소화제를 공급 또는 회수하도록 구비하는 발화억제유닛(150)을 포함하고,
상기 방전상태감지유닛(120)은,
방폭케이스유닛(110)의 내부에 설치하여 폐전지의 방전 과정에서 발생하는 가스를 감지하도록 구비하는 가스감지모듈(121)과,
방폭케이스유닛(110)의 내부에 설치하여 폐전지의 방전 과정에서 내부 온도를 감지하도록 구비하는 온도감지모듈(122)과,
방폭케이스유닛(110)의 내부에 설치하여 폐전지의 방전 과정에서 내부 압력을 감지하도록 구비하는 압력감지모듈(123)을 포함하고,
상기 발화억제유닛(150)은,
방폭케이스유닛(110)의 일측에서 소화제공급관(152) 및 공급밸브(153)를 연결하여 구비하는 소화제공급모듈(151)과,
소화제공급모듈(151) 및 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 폐전지의 방전 과정에서 가스, 온도, 압력, 열화상, 스웰링에 대한 감지 결과가 기설정된 제어조건을 벗어나면 공급밸브(153)의 개폐를 제어하여 자동 소화가 이루어지도록 구비하는 공급제어모듈(155)을 포함하는 중대형 폐전지 방전시스템에 있어서,
상기 방전상태감지유닛(120)에는,
방폭케이스유닛(110)의 일측에서 소화제회수관(157) 및 회수펌프(158)를 연결하여 구비하는 소화제회수모듈(156)과,
소화제회수모듈(156) 및 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 방폭케이스유닛(110)의 내부 상태가 소화 완료되면 회수펌프(158)의 작동을 제어하여 방폭케이스유닛(110) 내부에 공급된 소화제를 회수하고 소화제공급모듈(151)에서 재사용 가능하도록 구비하는 회수제어모듈(159)을 포함하고,
상기 발화억제유닛(150)에는,
방폭케이스유닛(110)의 일측에 설치하여 폐전지의 방전 과정에서 발생하는 열을 탐지하고 화상으로 표시하도록 구비하는 열화상촬영모듈(124)과,
열화상촬영모듈(124)에 의해 촬영된 영상으로부터 폐전지의 방전 과정에서 체적변화율을 산출하여 스웰링 상태를 감지하도록 구비하는 스웰링감지모듈(125)을 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 폐전지 방전시스템. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 방전유닛(130)은,
폐전지의 방전 과정에서 폐전지에서 발열과 함께 스웰링 현상이 발생하는 것을 방지하도록 3 ~ 4시간 내에 폐전지의 완전 방전이 이루어지는 전류세기로서 0.3C에서 방전을 수행하도록 구비하는 일반방전모드, 또는 1 ~ 3시간 내에 폐전지의 완전 방전이 이루어지는 전류세기로서 1C ~ 0.5C에서 방전을 수행하도록 구비하는 급속방전모드 중에서 선택적으로 설정 가능하도록 이루어지고,
폐전지의 방전 과정에서 이송된 전기에너지는 저항소자를 통해 소거하는 방식 또는 축전기를 연동하여 저장하는 방식을 적용 가능하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중대형 폐전지 방전시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 방전제어유닛(140)은,
방폭케이스유닛(110)의 일측에 설치하고 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 폐전지의 방전 과정에서 화재 또는 폭발로 인해 압력에 대한 감지 결과가 기설정된 제어조건을 벗어나면 내부 압력을 조절, 배출하도록 구비하는 압력제어모듈(141)과,
방전유닛(130)과 방폭케이스유닛(110) 사이에 설치하고 방전상태감지유닛(120)과 연동하여 폐전지의 방전 과정에서 가스, 온도, 압력, 열화상, 스웰링에 대한 감지 결과가 기설정된 제어조건을 벗어나면 방전을 중단하도록 구비하는 방전제어모듈(142)을 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 폐전지 방전시스템. - 삭제
- 삭제
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