KR102426585B1 - 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템에 관한 발명으로, 히팅수단(111)을 탑재하는 챔버 형상으로 마련하여 방전 및 파쇄 처리된 중대형 폐전지 파쇄물을 투입하고 열처리하도록 구비하는 열처리유닛(110)과, 열처리유닛(110)의 일측에 결합하여 열처리 과정에서 챔버에 불활성 캐리어 가스를 통해 이송기류를 만들어 줌으로써 챔버내부의 발화를 억제시키는 동시에 기화된 전해액 및 바인더에서 열분해된 유기물질을 열교환에 의해 액화하도록 구비하는 제1열처리제어유닛(120)과, 제1열처리제어유닛(120)의 일측에 결합하여 열교환 과정에서 상승하는 온도를 수냉식 또는 공랭식으로 냉각하도록 구비하는 제2열처리제어유닛(130)과, 제1열처리제어유닛(120)의 일측에 결합하여 액화된 유기불순물을 회수 및 보관하도록 구비하는 유기불순물회수유닛(150)을 포함하여 구성함에 따라 유가금속 회수율을 증진하고 유기불순물은 별도 회수하여 친환경적이고 효율적인 열처리공정을 수행하는 열처리시스템을 제공하는 것이 특징이다.

Description

폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템{HEAT TREATMENT SYSTEM FOR ECO-FRIENDLY RECYCLING OF WASTED BATTERY}

본 발명은 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템에 관한 발명으로, 더욱 상세하게는 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지로부터 유가금속이 포함된 복합 화합물을 회수할 수 있도록 열처리를 통해 전해액과 유기 불순물을 별도 회수할 수 있는 시스템을 구성하여 종래 기술보다 친환경적이고 안전하며 효율적인 열처리공정이 이루어지도록 하는 열처리시스템에 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 - 2191858 호에는 폐리튬이온전지가 침전되어 방전되게 하는 염수조와, 염수조의 후공정을 이루되 방전이 완료된 상기 폐리튬이온전지를 소정의 크기로 절단하는 절단기와, 절단기의 후공정을 이루되 소정의 크기로 절단된 절단 폐리튬이온전지를 소정의 건조 공정조건에서 건조하도록 건조 공간이 내부에 형성되는 건조 챔버와, 건조 챔버 내의 중앙에 배치되는 공용 샤프트와, 공용 샤프트의 길이 방향을 따라 공용 샤프트에 배치되는 복수 개의 건조용 열판과, 건조용 열판 상에 마련되고 건조용 열판에 올려진 절단 폐리튬이온전지를 이동시키는 스크래퍼와, 건조용 열판의 일측에 형성되는 배출부를 구비하는 건조기와, 건조기의 후공정을 이루되 건조가 완료된 절단 폐리튬이온전지를 분쇄하는 분쇄기와, 분쇄기로 분쇄된 가루로부터 활물질인 코발트, 니켈, 망간 등의 원료를 선별하 분리되게 하는 선별기를 포함하는 폐리튬이온전지의 원료 회수시스템을 구성한다.

다른 예로서, 한국등록특허 제 10 - 0637680 호에는 회수된 폐리튬 이차전지를 방전시키는 방전기, 방전된 폐리튬 이차전지를 파쇄하여 이차전지 셀의 금속 케이스에 하나 이상의 홈을 형성하거나 이차전지 셀을 1cm 이상의 크기를 가지는 각편으로 파쇄하는 파쇄기와, 파쇄된 이차전지 셀을 소성하여 괴상의 금속 덩어리를 형성하는 소성로, 소성된 이차전지 셀을 커터로 분쇄하는 분쇄기, 이차전지 셀의 분쇄물을 선별 및 분급하여 분말상의 코발트를 수득하는 분급기를 포함하는 폐리튬 이차전지로부터 코발트 파우더의 회수장치를 구성한다.

또 다른 예로서, 한국등록특허 제 10 - 2021 - 0077962 호에는 배터리셀을 방전하고 양극극판, 분리막 및 음극극판으로 분리하는 단계와, 분리된 배터리셀에서 양극극판을 수득하는 단계와, 배터리셀에서 분리된 양극극판을 절단하고 볼밀을 통해 분쇄하는 단계와, 분쇄된 양극극판을 400 ~ 600℃온도에서 30분 내지 1시간반 동안 열처리하는 단계를 포함하는 배터리셀로부터 유가금속을 회수하는 방법을 구성한다.

한국등록특허 제 10 - 2191858 호 (2020.12.16) 한국등록특허 제 10 - 0637680 호 (2006.10.24) 한국등록특허 제 10 - 2021 - 0077962 호 (2021.06.28) 한국공개특허 제 10 - 2019 - 0110543 호 (2019.09.30)

상술한 바와 같이 종래 기술에 따른 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지의 재활용에 적용되는 열처리시스템은 건조 또는 열처리공정을 통해 폐전지 내에 존재하는 전해액, 바인더와 같은 불순물을 온도구간별로 제거하여 활물질을 분리하는 기능만으로 이루어진다.

그러나, 이와 같은 종래의 열처리시스템은 고온 환경에서 바인더 등의 불순물로부터 유해 가스가 대량 발생하여 2차연소를 통한 별도의 대기오염저감시설의 규모가 크며 대기오염저감시설 없이는 최종 배출단계에서 심각한 환경부하가 발생하고 있는 실정이다.

또한, 종래 기술에 따른 열처리시스템은 일정 온도 범위에서 장시간에 걸쳐 열처리공정이 이루어지므로 폐전지 파쇄물의 내, 외부 전반에 걸처 함유되는 유기물질의 효과적인 제거가 어렵고 고온 환경에서 카본블랙 등의 활물질의 발화를 야기하여 유가금속 회수율을 현저히 저감하는 문제점이 있다.

따라서, 중대형 폐전지의 재활용을 위해 온도구간별로 열처리를 진행하여 전해액과 바인더와 같은 불순물을 제거할 뿐만 아니라 이를 각각 회수하여 전해액과 바인더에서 열분해된 유기물질 회수하고 환경부하를 줄일 수 있는 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리 시스템을 제공하고자 한다.

이에 본 발명에서는 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서,

히팅수단(111)을 탑재하는 챔버 형상으로 마련하여 방전 및 파쇄 처리된 중대형 폐전지 파쇄물을 투입하고 열처리하도록 구비하는 열처리유닛(110)과,

상기 열처리유닛(110)의 일측에 결합하여 열처리 과정에서 챔버에 불활성 캐리어 가스를 통해 이송기류를 만들어 줌으로써 챔버내부의 발화를 억제시키는 동시에 기화된 전해액 및 바인더에서 열분해된 유기물질을 열교환에 의해 액화하도록 구비하는 제1열처리제어유닛(120)과,

상기 제1열처리제어유닛(120)의 일측에 결합하여 열교환 과정에서 상승하는 온도를 수냉식 또는 공랭식으로 냉각하도록 구비하는 제2열처리제어유닛(130)과,

상기 제1열처리제어유닛(120)의 일측에 결합하여 액화된 유기불순물을 회수 및 보관하도록 구비하는 유기불순물회수유닛(150)을 포함하여 구성함으로써 유가금속 회수율을 증진하고 유기불순물은 별도 회수하여 친환경적이고 효율적인 열처리공정을 수행하는 열처리시스템을 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 열처리시스템을 제공한다.

본 발명은 종래의 열처리시스템과 차별하여 열처리공정에서 온도 구간 별로 불순물을 포집 또는 제거하여 유가금속 회수율을 현저히 증진할 수 있는 이점이 있다.

특히, 본 발명은 열처리 온도 구간별로 발생하는 가스를 액상 형태로 포집하여 유기불순물을 별도 회수함으로써 종래 기술에 비해 탄소 배출량을 현저히 저감하고 환경부하를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

따라서, 본 발명은 전기차 및 ESS의 수요 확대 전망에 따라 폐전지의 재활용 공정에 적용하여 환경보호, 안전성, 및 효율성을 충족할 수 있는 열처리시스템을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템의 블록 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템의 개략적인 정면, 평면, 측면도.
도 3은 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템에 의한 열처리 공정 도해도.
도 4는 본 발명의 실험 예에 따른 냉각 온도별 불순물 포집량 표.

이하, 본 발명의 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템의 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 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템의 블록 구성도, 도 2는 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템의 개략적인 정면, 평면, 측면도, 도 3은 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템에 의한 열처리 공정 도해도, 도 4는 본 발명의 실험 예에 따른 냉각 온도별 불순물 포집량 표를 도시한 것이다.

본 발명의 기술이 적용되는 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템은 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지의 재활용 공정에 적용되는 열처리시스템의 구성을 종래 기술과 차별하여 보다 친환경적이고 안전하며 효율적인 열처리공정이 이루어지도록 하는 열처리시스템 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 수득하기 위하여 방전 및 파쇄, 분쇄 및 분급공정을 포함한 일련의 공정을 수행한다.

이때, 폐전지 파쇄물 내에는 전지의 필수 구성 물질인 전해액, 극판에 양극 및 음극재를 코팅하기 위한 유기바인더가 존재하는바, 이를 제거하지 않고 유가물질을 수득할 경우 그 회수율이 현저하게 저하되므로 폐전지 파쇄물에 대한 열처리공정이 필요하다.

종래 기술의 열처리시스템은 폐전지 파쇄물을 일정 온도에서 소성하여 유가물질을 수득하고 열처리공정에서 발생하는 가스는 별도의 가스처리시설을 거쳐 배출하도록 이루어지므로 환경부하가 발생하는 등의 문제가 있는바, 본 발명에서는 종래와 차별된 열처리공정을 수행하는 열처리시스템을 제공한다.

이를 위한 본 발명의 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템은 폐배터리 파쇄물을 수용하는 열처리유닛(110)과, 제1열처리제어유닛(120)과, 제2열처리제어유닛(130)과, 제3열처리제어유닛(140)과, 유기불순물회수유닛(150)을 포함하여 구성하며 구체적으로는 하기와 같다.

상기 열처리유닛(110)은 히팅수단(111)을 탑재하는 챔버 형상으로 마련하여 방전 및 파쇄 처리된 중대형 폐전지 파쇄물을 투입하고 열처리하도록 구비한다.

상기 열처리유닛(110)은 분리막, 극판 등과 함께 전해액과 수분, 유기바인더 등의 불순물이 혼합되어 있는 폐전지 파쇄물로부터 니켈, 코발트, 망간과 같은 유가금속을 효율적으로 회수하도록 저온 또는 고온에서 열처리를 통해 불순물을 제거하기 위한 구성이다.

상기 열처리유닛(110)은 폐전지 파쇄물 및 히팅수단(111)을 수용하는 챔버와, 저온 열처리를 위한 제1열처리모듈(112)과, 고온 열처리를 위한 제2열처리모듈(113)을 포함한다.

상기 열처리유닛(110)의 챔버 외측에는 외부의 찬공기를 송풍하고 더운 공기를 배출하여 자연 순환이 이루어지도록 공기순환라인을 구비한다. 또한, 후술하게 될 제1열처리제어유닛(120)의 제1이송라인(121), 제3열처리제어유닛(140)의 캐리어가스공급라인(141)을 연결하여 구비한다.

상기 제1열처리모듈(112) 및 제2열처리모듈(113)은 각각 저온 및 고온에서 구간별 소성을 통해 유가금속 회수율의 저해요소인 유기물질을 보다 효율적으로 제거하기 위한 구성이다.

상기 제1열처리모듈(112)은 히팅수단(111)에 의해 파쇄물의 표면에서 수분 및 전해액을 제거하도록 구비한다.

상기 제1열처리모듈(112)은 100 ~ 300℃의 저온에서 0.1 ~ 5시간 동안 투입된 파쇄물을 열처리하여 수분 및 전해액을 휘발, 제거하도록 구비한다. 제1열처리모듈(112)에 의한 열처리 과정에서 발생하는 가스는 제1이송라인(121)을 거쳐 제1열처리제어유닛(120)으로 이송되도록 구성한다.

상기 제2열처리모듈(113)은 히팅수단(111)에 의해 파쇄물에서 유기바인더를 제거하고 집전체와 활물질을 분리하도록 구비한다.

상기 제2열처리모듈(113)은 400 ~ 700℃의 고온에서 0.1 ~ 5시간 동안 열처리하여 투입된 파쇄물로부터 유기불순물을 분리하여 활물질을 회수하도록 구성한다. 제2열처리모듈(113)에 의한 열처리 과정에서 발생하는 가스는 제1이송라인(121)을 거쳐 제1열처리제어유닛(120)으로 이송되도록 구성한다.

상기 열처리유닛(110)은 상기 제1열처리모듈(112)을 적용하거나 또는, 상기 제1열처리모듈(112) 및 제2열처리모듈(113)을 순차로 적용 가능하도록 구성하며, 제1열처리모듈(112) 및 제2열처리모듈(113)의 적용 상태에 따라서 후술하게 될 제1열처리제어유닛(120)을 복수로 구비하도록 구성한다.

상기 제1열처리제어유닛(120)은 상기 열처리유닛(110)의 일측에 결합하여 열처리 과정에서 챔버에서 발생하는 가스를 이송받고 열교환에 의해 액화하도록 구비한다.

상기 제1열처리제어유닛(120)은 상기 제1열처리모듈(112)에 의한 저온 열처리 과정에서 수분과 전해액이 휘발하면서 발생하는 가스를 포집하고 냉각구간을 거치면서 액상 형태로 회수하고, 상기 제2열처리모듈(113)에 의한 고온 열처리 과정에서 유기바인더가 열분해되면서 발생하는 가스를 포집하고 냉각구간을 거치면서 액상 형태로 회수함으로써 불순물의 회수 효율을 증대하고 최종적으로 발생되는 배출가스의 양을 저감하도록 구성한다.

상기 제1열처리제어유닛(120)은 열교환을 위한 챔버와, 챔버 일측에 결합하는 제1이송라인(121), 제2이송라인(122), 제3이송라인(123)을 포함한다.

상술한 바와 같이 상기 제1열처리제어유닛(120)은 상기 열처리유닛(110)의 일측에서 복수를 결합하여, 상기 열처리유닛(110)의 제1열처리모듈(112) 및 제2열처리모듈(113)에 의한 각각의 열처리 온도에 상응하여 열교환이 이루어지도록 구비한다.

상기 제1이송라인(121)은 상기 열처리유닛(110)과 연결하여 가스를 이송받도록 구비한다.

상기 제1이송라인(121)은 상기 열처리유닛(110)과 제1열처리제어유닛(120)의 복수의 챔버를 연결하고 일 구간 상에는 소정의 바이패스밸브를 구비하여 상기 제1열처리모듈(112) 및 제2열처리모듈(113)에 의한 저온 또는 고온 열처리 상태에 따라서 가스를 이송하고자 하는 챔버로 연결상태를 형성하도록 구성한다.

상기 제2이송라인(122)은 후술하게 될 제2열처리제어유닛(130)과 연결하여 수냉식 또는 공랭식 냉각유체를 공급받도록 구비한다.

상기 제2이송라인(122)은 제2열처리제어유닛(130)과 제1열처리제어유닛(120)의 복수의 챔버를 각각 연결하여 제2열처리제어유닛(130)으로부터 냉각유체를 상시 이송받아 일정 온도를 유지하도록 구성한다.

상기 제3이송라인(123)은 후술하게 될 유기불순물회수유닛(150)과 연결하여 액화된 유기불순물을 배출하도록 구비한다.

상기 제3이송라인(123)은 유기불순물회수유닛(150)의 리시버탱크(151)와 제1열처리제어유닛(120)의 복수의 챔버를 일대일로 연결하여 제1열처리제어유닛(120)에 의해 액화 배출되는 전해액 및 유기물질을 유기불순물회수유닛(150)으로 배출하도록 구비한다.

상기 제2열처리제어유닛(130)은 상기 제1열처리제어유닛(120)의 일측에 결합하여 열교환 과정에서 상승하는 온도를 수냉식 또는 공랭식으로 냉각하도록 구비한다.

상기 제2열처리제어유닛(130)은 상기 제1열처리제어유닛(120)에 의한 열교환 과정에서 상승하는 내부 온도를 지속적으로 냉각시켜주기 위하여 냉각유체를 공급하도록 구성하며, 유체탱크(131)와, 냉각칠러(132)를 포함한다.

상기 유체탱크(131)는 상기 제1열처리제어유닛(120)과 연결하고 냉각유체를 저장하여 상시 공급하도록 구비한다.

상기 유체탱크(131)는 상기 제1열처리제어유닛(120)에 결합되는 제2이송라인(122)과 연결하한다. 유체탱크(131)에 저장되는 냉각유체는 상기 제1열처리제어유닛(120)의 공랭식 또는 수냉식 열교환 방식에 따라서 적용하며, 수냉식의 경우 증류수 또는 증류수와 부동액이 혼합된 액체를 사용할 수 있을 것이다.

상기 냉각칠러(132)는 상기 유체탱크(131)를 일정 온도로 냉각하여, 상기 제1열처리제어유닛(120)의 내부 온도를 5 ~ 50℃ 범위로 조성하도록 냉각유체를 냉각함으로써 액화 효율을 향상하고 유기불순물 회수율을 증대하도록 구성한다.

한편, 상기 열처리유닛(110)의 일측에는 캐리어가스공급라인(141)을 결합하고 제3열처리제어유닛(140)을 연결하도록 구성한다.

상기 제3열처리제어유닛(140)은 N₂ 또는 Ar을 포함하는 비활성가스를 챔버에 충진하여 레귤레이터를 통해 지속적으로 정량 공급함으로써 기화된 전해액 또는 바인더에서 열분해된 유기불순물을 이동시킬 수 있는 기류를 형성하여 냉각 및 포집을 통한 효율을 높이는 동시에 챔버 내에 피열물의 발화를 제어하면서 음극활물질인 카본블랙, 그라파이트의 연소량을 최소화하여 탄소 배출을 저감하도록 구비한다.

상기 제3열처리제어유닛(140)은 상기 제1열처리모듈(112)에 의한 저온 열처리 과정에서 수분 및 전해액을 상기 제1열처리제어유닛(120)으로 회수하기 위한 캐리어 가스 역할을 하도록 비활성가스를 챔버에 충진하도록 구비한다. 또한, 제3열처리제어유닛(140)은 상기 제2열처리모듈(113)에 의한 고온 열처리 과정에서 바인더에서 열분해된 유기물질을 상기 제1열처리제어유닛(120)으로 회수하기 위한 캐리어 가스 역할을 하도록 비활성가스를 챔버에 충진하도록 구비한다.

상기 제3열처리제어유닛(140)에 의해 공급되는 비활성가스는 열처리유닛(110)의 챔버 내부의 발화를 제어하면서 음극활물질인 카본블랙, 그라파이트의 연소량을 최소화하여 탄소 배출을 저감하도록 구성한다.

상기 유기불순물회수유닛(150)은 상기 제1열처리제어유닛(120)의 일측에 결합하여 액화된 유기불순물을 회수 및 보관하도록 구비한다.

상기 유기불순물회수유닛(150)은 상기 제1열처리제어유닛(120)에 의한 열교환 과정을 거쳐 액화 배출되는 전해액 및 유기바인더를 회수하여 종래 기술에 비해 열처리 과정에서 발생하는 불순물을 효율적으로 회수하고 최종적으로 발생되는 배출가스의 양을 현저히 저감하여 환경부하를 최소화하도록 구성하며, 리시버탱크(151)와, 스크러버(152)를 포함한다.

상기 리시버탱크(151)는 상기 제1열처리제어유닛(120)의 복수의 챔버와 제3이송라인(123)에 의해 일대일로 연결하여 액화된 전해액 및 유기물질을 회수하도록 구비한다.

상기 리시버탱크(151)는 상기 제1열처리제어유닛(120)의 하측에 위치하고 상기 제3이송라인(123)은 하향 경사지게 형성하도록 구비하여 상기 제1열처리제어유닛(120)에 의해 무겁게 액화된 액체가 슬로프를 타고 리시버탱크(151)로 이송되도록 구성한다.

상기 스크러버(152)는 상기 리시버탱크(151)와 연결하여 회수된 유기불순물을 저장하고 회수되지 않은 Off-Gas를 2차연소 및 포집하도록 구비한다. 본 발명은 종래 기술에 비해 상기 제1열처리제어유닛(120)에 의해 열처리 과정에서 발생하는 가스를 1차적으로 냉각 포집하여 회수하므로 가스량을 현저히 저감하여 스크러버(152)에 의한 처리공정 부하가 줄어들게 된다.

전술한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 기술이 적용된 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템에 의한 열처리공정을 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 열처리공정을 수행하는 열처리시스템을 구성하며, 열처리유닛(110)과, 제1열처리제어유닛(120)과, 제2열처리제어유닛(130)과, 제3열처리제어유닛(140)과, 유기불순물회수유닛(150)으로 이루어진다.

우선, 방전 및 파쇄공정을 통해 수득한 폐전지 파쇄물을 열처리유닛(110)의 챔버에 투입하고 히팅수단(111)에 의해 열처리하되, 제1열처리모듈(112) 또는 제2열처리모듈(113) 중에서 하나 또는 복수를 이용해 저온 또는 고온 열처리 단계를 진행한다.

열처리 전에는 챔버 내부에 잔존하는 산소를 진공펌프를 이용해 제거하여 발화를 방지하고 비활성가스의 투입이 원활하게 진행되도록 한다.

열처리유닛(110)의 일측에서 캐리어가스공급라인(141)을 통해 연결되는 제3열처리제어유닛(140)은 비활성가스를 챔버에 충진하고 열처리 과정에서 발생하는 가스를 비활성가스가 캐리어 역할을 함으로써 제1열처리제어유닛(120)으로 이송한다. 비활성가스는 열처리유닛(110) 내부에 발화를 제어하면서 음극활물질인 카본블랙, 그라파이트의 연소량을 최소화하여 탄소 배출을 저감시킨다.

제1열처리모듈(112)은 100 ~ 300℃의 저온에서 0.1 ~ 5시간 동안 열처리하여 파쇄물의 표면에서 수분 및 전해액을 휘발, 분리한다.

제2열처리모듈(113)은 400 ~ 700℃의 고온에서 0.1 ~ 5시간 동안 열처리하여 파쇄물로부터 유기불순물을 분리하고 유가금속을 회수한다.

열처리유닛(110)의 일측에서 제1이송라인(121)을 통해 연결되는 제1열처리제어유닛(120)으로 가스를 이송하여 포집하고 열교환에 의해 액화한다.

동시에, 제1열처리제어유닛(120)의 일측에서 제2이송라인(122)을 통해 연결되는 제2열처리제어유닛(130)은 냉각칠러(132)에 의해 냉각된 유체탱크(131)로부터 냉각유체를 지속적으로 공급하여 제1열처리제어유닛(120)의 온도를 5 ~ 50℃ 범위로 조성함으로써 가스를 액화한다.

제1열처리제어유닛(120)에서 액화된 유기불순물은 유기불순물회수유닛(150)으로 배출되어 회수된다. 제1열처리제어유닛(120)의 일측에서 제3이송라인(123)을 통해 연결되는 유기불순물회수유닛(150)은 액상 형태의 전해액 및 유기바인더를 리시버탱크(151)에 회수함으로써 열처리공정의 진행 과정에서 발생하는 유기불순물의 회수 효율을 증대하고 최종적으로 발생되는 배출가스의 양을 저감하여 스크러버(152)에 의한 환경처리 부하를 저감한다.

이하에서는 전술한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 기술이 적용된 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템을 이용한 실험 예를 구성하고 그 효과에 대해서 면밀하게 파악하고자 한다.

<실험 예>

본 발명의 열처리시스템에 포함된 일련의 구성을 이용하여 열처리공정을 실시하고 상기 유기불순물회수유닛(150)에 포집되는 포집물의 양을 측정하였다.

종래 기술에 따른 열처리시스템에서는 본 발명에서와 같이 열처리공정의 진행 과정에서 발생하는 유기불순물을 별도로 회수하는 구성이 없으므로 전량 배출가스로 처리하고 있어 탄소 배출에 따른 막대한 환경부하가 발생한다.

하기 도 4에는 파쇄물 100kg을 이용해 본 발명에 따른 제1열처리모듈(112)에 의한 저온 열처리 및 제2열처리모듈(113)에 의한 고온 열처리를 진행하고 상기 제1열처리제어유닛(120)에 가스를 포집하는 과정에서, 상기 제2열처리제어유닛(130)에 의해 냉각유체를 공급받는 상기 제1열처리제어유닛(120)의 냉각 온도별로 각각의 액화 포집물의 양을 측정하여 표시한 것이다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템은 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지로부터 유가금속이 포함된 복합 화합물을 제조하고 유기불순물은 별도 회수하는 일련의 재활용 공정에 적용되는 열처리시스템을 제공한다.

본 발명은 종래의 열처리시스템과 차별하여 열처리공정에서 온도 구간 별로 불순물을 포집 또는 제거하여 유가금속을 효율적으로 회수함으로써 유가금속 회수율을 현저히 증진할 수 있는 이점이 있다.

특히, 본 발명은 열처리 온도 구간별로 발생하는 가스를 액상 형태로 포집하여 유기불순물을 별도 회수함으로써 종래 기술에 비해 탄소 배출량을 현저히 저감하고 환경부하를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

따라서, 본 발명의 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템은 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: 열처리유닛
111: 히팅수단
112: 제1열처리모듈
113: 제2열처리모듈
120: 제1열처리제어유닛
121: 제1이송라인
122: 제2이송라인
123: 제3이송라인
130: 제2열처리제어유닛
131: 유체탱크
132: 냉각칠러
140: 제3열처리제어유닛
141: 캐리어가스공급라인
150: 유기불순물회수유닛
151: 리시버탱크
152: 스크러버

Claims (7)

1. 히팅수단(111)을 탑재하는 챔버 형상으로 마련하여 방전 및 파쇄 처리된 중대형 폐전지 파쇄물을 투입하고 열처리하도록 구비하는 열처리유닛(110)과,
   상기 열처리유닛(110)의 일측에 결합하여 열처리 과정에서 챔버에 불활성 캐리어 가스를 통해 이송기류를 만들어 줌으로써 챔버내부의 발화를 억제시키는 동시에 기화된 전해액 및 바인더에서 열분해된 유기물질을 열교환에 의해 액화하도록 구비하는 제1열처리제어유닛(120)과,
   상기 제1열처리제어유닛(120)의 일측에 결합하여 열교환 과정에서 상승하는 온도를 수냉식 또는 공랭식으로 냉각하도록 구비하는 제2열처리제어유닛(130)과,
   상기 제1열처리제어유닛(120)의 일측에 결합하여 액화된 유기불순물을 회수 및 보관하도록 구비하는 유기불순물회수유닛(150)을 포함하고,
   상기 열처리유닛(110)은,
   히팅수단(111)에 의해 파쇄물의 표면에서 수분 및 전해액을 제거하도록 구비하는 제1열처리모듈(112)과,
   히팅수단(111)에 의해 파쇄물에서 유기바인더를 제거하고 집전체와 활물질을 분리하도록 구비하는 제2열처리모듈(113)을 구비하여, 상기 제1열처리모듈(112)을 적용하거나 또는, 상기 제1열처리모듈(112) 및 제2열처리모듈(113)을 순차로 적용 가능하도록 이루어지고,
   상기 제1열처리모듈(112)은 100 ~ 300℃의 저온에서 0.1 ~ 5시간 동안 투입된 파쇄물을 열처리하여 수분 및 전해액을 휘발, 제거하도록 구비하고,
   상기 제2열처리모듈(113)은 400 ~ 700℃의 고온에서 0.1 ~ 5시간 동안 투입된 파쇄물을 열처리하도록 구비하여, 각각의 유기불순물을 분리하고 활물질을 회수하도록 이루어지고,
   상기 제1열처리제어유닛(120)은,
   열처리유닛(110)의 제1열처리모듈(112)에 의한 열처리 과정에서 수분과 전해액이 휘발하면서 발생하는 가스를 포집하고 냉각구간을 거치면서 액상 형태로 회수하고, 상기 제2열처리모듈(113)에 의한 열처리 과정에서 유기바인더가 열분해되면서 발생하는 가스를 포집하고 냉각구간을 거치면서 액상 형태로 회수하여 불순물의 회수 효율을 증대하고 최종적으로 발생되는 배출가스의 양을 저감하도록 구비하고,
   상기 열처리유닛(110)의 일측에는 캐리어가스공급라인(141)을 결합하고, N₂ 또는 Ar을 포함하는 비활성가스를 챔버에 충진하여 레귤레이터를 통해 지속적으로 정량 공급함으로써 기화된 전해액 또는 바인더에서 열분해된 유기불순물을 이동시킬 수 있는 기류를 형성하여 냉각 및 포집을 통한 효율을 높이는 동시에 챔버 내에 피열물의 발화를 제어하면서 음극활물질인 카본블랙, 그라파이트의 연소량을 최소화하여 탄소 배출을 저감하도록 구비하는 제3열처리제어유닛(140)을 연결하여 구성하는 것을 특징으로 하는 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1열처리제어유닛(120)은,
   열처리유닛(110)의 일측에서 복수를 결합하여, 상기 열처리유닛(110)의 제1열처리모듈(112) 및 제2열처리모듈(113)에 의한 각각의 열처리 온도에 상응하여 열교환이 이루어지도록 구비하고,
   상기 제1열처리제어유닛(120)에는,
   열처리유닛(110)과 연결하여 제1열처리모듈(112) 또는 제2열처리모듈(113) 각각에 의한 열처리 과정에서 발생하는 가스를 이송받도록 구비하는 제1이송라인(121)과,
   제2열처리제어유닛(130)과 연결하여 수냉식 또는 공랭식 냉각유체를 공급받도록 구비하는 제2이송라인(122)과,
   유기불순물회수유닛(150)과 연결하여 액화된 유기불순물을 배출하도록 구비하는 제3이송라인(123)을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2열처리제어유닛(130)은,
   제1열처리제어유닛(120)과 연결하고 냉각유체를 저장하여 상시 공급하도록 구비하는 유체탱크(131)와, 유체탱크(131)를 일정 온도로 냉각하는 냉각칠러(132)를 포함하고,
   상기 제1열처리제어유닛(120)의 내부 온도를 5 ~ 50℃ 범위로 조성하도록 냉각유체를 냉각하여 액화 효율을 향상하고 유기불순물 회수율을 증대하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 유기불순물회수유닛(150)은,
   제1열처리제어유닛(120)과 연결하고 액화된 전해액 및 유기바인더를 회수하도록 구비하는 리시버탱크(151)와,
   리시버탱크(151)와 연결하여 회수된 유기불순물을 저장하고 회수되지 않은 Off-Gas를 2차연소 및 포집하도록 구비하는 스크러버(152)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 폐전지 친환경 재활용을 위한 열처리시스템.

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