KR102516186B1

KR102516186B1 - 폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치

Info

Publication number: KR102516186B1
Application number: KR1020220122392A
Authority: KR
Inventors: 임현열; 박준우; 이준희; 채지훈; 이용택; 조건우
Original assignee: 주식회사 이알
Priority date: 2022-09-27
Filing date: 2022-09-27
Publication date: 2023-03-30
Also published as: WO2024071787A1

Abstract

본 발명은 폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공에서의 열분해로 인한 방전유도와 더불어 전해질제거 및 회수, 나아가서는 각종 고분자까지 증류공정으로 처리가능하여 파분쇄시 고품질의 원료를 회수할 수 있도록 하는 폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치에 관한 것이다.
이에 본 발명은, 지면에 설치된 설치베이스(2) 상의 직선형 레일(94) 상에 이동가능하게 구비되어 수용공간을 갖는 바스켓(10); 상기 바스켓(10)은 망 형태로 형성되어 외부케이스가 제거된 다수의 배터리(5)가 수용되고, 상기 설치베이스(2) 상에서 바스켓(10)의 길이이동방향 전방에 구비되어 레일(94)을 따라 직선 이동되는 바스켓(10)이 장입되는 진공챔버(20); 상기 레일(94)에 연결되어 레일(94)을 직선이동시키는 체인(92) 및 체인모터(91); 상기 진공챔버(20) 내부에 진공분위기를 형성하도록 연결되는 진공펌프(81); 상기 진공챔버(20)의 내부면에 다수 구비되어 배터리(5)의 전해액을 기화시키도록 진공챔버(20) 내부를 650℃까지 가열하는 히터(25); 상기 기화된 배터리(5)의 전해액을 진공챔버(20)의 하부측으로 낙하이동시키도록 진공챔버(20)의 바닥측에 연통설치되는 다수의 수직이동관(22); 상기 다수의 수직이동관(22)에 각각 연결되어 수직이동관(22)을 통해 낙하이동된 배터리(5)의 전해액을 응축시키는 리시버탱크(30); 상기 리시버탱크(30)에서 응축된 응축수를 외부로 배출시키도록 리시버탱크(30)의 바닥측에 각각 연통설치되는 배출관(32); 상기 배터리(5)의 기화가 완료된 진공챔버(20) 내의 진공을 해제하기 위해 질소 또는 에어를 충진하는 진공해제충진수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치를 제공한다.

Description

폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치{Waste Lithium Ion Battery Vacuum Pyrolysis Device}

본 발명은 폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공에서의 열분해로 인한 방전유도와 더불어 전해질제거 및 회수, 나아가서는 각종 고분자까지 증류공정으로 처리가능하여 파분쇄시 고품질의 원료를 회수할 수 있도록 하는 폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 충전하여 사용하는 리튬이온 배터리는 휴대기기인 무선 전화기, 스마트폰, 모바일 기기 등이 많이 사용되면서 기하급수적으로 그 수요량이 폭발적으로 증가하였고, 최근 단위 배터리셀을 복수개 포함하는 배터리팩의 사용이 증가하고 있다.

배터리팩은 전기적으로 연결되어 있는 배터리 모듈을 복수개 포함하고 있는데, 이러한 배터리팩은 큰 전기용량이 필요한 전기자동차(EV) 내지 하이브리드 전기자동차(HEV)에 많이 사용되고 있다. 전기자동차 및 하이브리드 전기자동차는 차세대 이동수단으로 각광받고 있으며, 생산대수는 급격히 증가할 것으로 예상된다. 다만, 전기자동차에서 발생하는 폐배터리팩, 리튬 이차전지 역시 향후 급격히 증가할 것으로 예상되지만 폐리튬이온배터리의 처리방법에 대해서는 그 연구가 미비한 실정이다.

폐리튬이온배터리를 재활용하기 위해서는 배터리를 방전공정이 필요하며 이러한 방전 공정은 보통 염수에 담궈 5~15일정도 방치시키는 공정이 이루어 진다. 이러한 염수방전 공정은 전류가 흐르는 소금물에 담가 방전시키는 방식으로 대부분 안전한 방법으로 인식되어 주로 사용되고 있다. 그러나 다량의 폐배터리의 염수 방전 시 배터리 종류의 다양성과 충전량 차이 등으로 인해 방전여부를 확인할 길이 없다.

이러한 방전이 제대로 이루어지지 않은 폐리튬이온배터리의 경우에는 여전히 대형 폭발과 화재의 원인이 될 수 있으며, 원료의 가공을 위한 파/분쇄 공정에서는 매우 손쉽게 화재와 폭발이 동반된다. 뿐만 아니라, 방전작업과 해체작업을 한 후에 파쇄 및 분쇄작업 순으로 진행되나, 전기적으로 완전히 방전처리하기 매우 어렵고, 또한 염수방전처리시 다량의 폐수와 전극의 부식으로 인한 품질저하의 요인이 되는 등의 문제점이 있었다.

등록특허 제10-2378528호

이에 본 발명은 상기한 문제점을 일소하기 위해 창안한 것으로서, 진공에서의 열분해로 인한 방전유도와 더불어 전해질제거 및 회수, 나아가서는 각종 고분자까지 증류공정으로 처리가능하여 파분쇄시 고품질의 원료를 회수할 수 있도록 하는 폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치에 주안점을 두고 그 기술적 과제로서 완성한 것이다.

위 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치를 구성함에 있어서, 지면에 설치된 설치베이스(2) 상의 직선형 레일(94) 상에 이동가능하게 구비되어 수용공간을 갖는 바스켓(10); 상기 바스켓(10)은 금속재질로 된 망 형태로서, 수용공간을 갖으며 상부가 개방된 “

”또는 “

”형태의 통 구조로 형성되어 외부케이스가 제거된 다수의 배터리(5)가 수용되고, 상기 설치베이스(2) 상에서 바스켓(10)의 길이이동방향 전방에 구비되어 레일(94)을 따라 직선 이동되는 바스켓(10)이 장입되는 진공챔버(20); 상기 레일(94)에 연결되어 레일(94)을 직선이동시키는 체인(92) 및 체인모터(91); 상기 진공챔버(20) 내부에 진공분위기를 형성하도록 연결되는 진공펌프(81); 상기 진공펌프(81)는 수봉식 진공펌프이며, 상기 수봉식 진공펌프를 구동시켜 진공챔버(20) 내부를 0.08㎫의 진공으로 형성토록 하고, 상기 수봉식 진공펌프에 연결된 냉각칠러를 가동하여 수봉수의 온도를 유지토록 하며, 상기 진공챔버(20)의 내부면에 다수 구비되어 배터리(5)의 전해액을 기화시키도록 진공챔버(20) 내부를 가열하는 히터(25); 상기 히터(25)는 진공챔버(20) 내주연에서 띠 형태로 다수 형성되어 일정간격으로 배치 구성되고, 상기 히터(25)를 650℃까지 가열하여 진공챔버(20) 내의 배터리(5)의 전해액을 기화시키되, 100℃를 1차설정온도로 하여 60∼70분 동안 1차상승시키고, 상기 1차상승 후, 60∼70분 동안 100℃의 1차설정온도를 유지토록 하며, 200℃를 2차설정온도로 하여 60∼70분 동안 2차상승시키고, 상기 2차상승 후, 120∼130분 동안 200℃의 2차설정온도를 유지토록 하며, 450℃를 3차설정온도로 하여 90∼100분 동안 3차상승시키고, 상기 3차상승 후, 120∼130분 동안 450℃의 3차설정온도를 유지토록 하며, 650℃를 4차설정온도로 하여 90∼100분 동안 4차상승시키고, 상기 4차상승 후, 180∼190분 동안 650℃의 4차설정온도를 유지토록 하는 방식으로, 일정시간 가열온도상승 및 일정시간 온도유지를 반복토록 하여, 상기 온도유지 시간동안에 배터리(2)의 전해액 기화가 이루어지도록 함으로써 전해액 기화율을 높이도록 하고, 상기 전해액은 Cyclic carbonate, Linear carbonate, Linear Ester 계열 중 적어도 2개 이상을 혼합하여 사용토록 하고, 상기 기화된 배터리(5)의 전해액을 진공챔버(20)의 하부측으로 낙하이동시키도록 진공챔버(20)의 바닥측에 연통설치되는 다수의 수직이동관(22); 상기 다수의 수직이동관(22)에 각각 연결되어 수직이동관(22)을 통해 낙하이동된 배터리(5)의 전해액을 응축시키는 리시버탱크(30); 상기 리시버탱크(30)에 응축된 유기용제는 Air Diaphragm Pump로 이송하여 별도의 보관탱크에 저장토록 구성하고, 상기 리시버탱크(30)에서 응축된 응축수를 외부로 배출시키도록 리시버탱크(30)의 바닥측에 각각 연통설치되는 배출관(32); 상기 배터리(5)의 기화가 완료된 진공챔버(20) 내의 진공을 해제하기 위해 질소 또는 에어를 충진하는 진공해제충진수단;을 포함하여 이루어지게 하고, 상기 배터리(5)는 1차파쇄하여 배터리1차파쇄분(5-1)이 형성되게 하고, 이를 다시 2차파쇄(ER Process)에 투입하여 배터리2차파쇄분(5-2)이 형성되게 한 후, 분리체를 통해 구리 및 알루미늄과, 블랙파우더로 분리시키도록 구성하는 것을 특징으로 하는 폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치를 제공한다.

또한, 상기 리시버탱크(30)의 상단측에 이동관(35)이 연통 연결되고, 상기 이동관(35)의 이동측 단부에 콜드트랩(40)이 연결되며, 상기 콜드트랩(40)의 단부에 배출관(42)이 연결되어, 상기 리시버탱크(30)에서 처리되지 못한 기체가 이동관(35)을 통해 콜드트랩(40)에 공급되어 응축되도록 구성하는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기한 본 발명에 의하면 진공에서의 열분해로 인한 방전유도와 더불어 전해질제거 및 회수, 나아가서는 각종 고분자까지 증류공정으로 처리가능하여 파분쇄시 고품질의 원료를 회수할 수 있는 등의 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치의 실시 예시도
도 2는 본 발명에 의한 전해액 기화된 배터리 실시도
도 3은 본 발명에 의한 배터리 1,2차 파쇄상태 실시도
도 4는 본 발명에 의한 1,2차 파쇄 후 분리상태 실시도

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 4를 참고하여 보면 본 발명은 바스켓(10), 진공챔버(20), 체인(92), 체인모터(91), 진공펌프(81), 히터(25), 수직이동관(22), 리시버탱크(30), 배출관(32) 및 진공해제충진수단을 포함하여 이루어진다.

본 발명의 구현을 위해 먼저 도 1에서와 같이 지면에 설치된 설치베이스(2) 상의 직선형 레일(94) 상에 이동가능하게 구비되어 수용공간을 갖는 바스켓(10)이 구비된다.

상기 바스켓(10)은 금속재질로 된 망 형태로 형성되는 것으로, 배터리(5)의 열분해에 불필요한 합성수지재로 된 외부케이스가 제거된 다수의 배터리(5)가 수용된다.

또한, 상기 레일(94)은 체인모터(91)에 연결된 체인(92)에 연결되어 체인모터(91)의 구동에 따라 이동되면서 바스켓(10)을 직선 이동시키게 된다. 또한, 상기 바스켓(10)은 다수의 배터리(5)를 수용한 상태에서 후술되는 진공챔버(20) 내에서 기화가 이루어져야 하므로, 상기 바스켓(10)은 배터리(5)의 수용안착성 및 기화성을 고려하여 망 형태로서 수용공간을 갖으며 상부가 개방된 통 구조로 형성되도록 함이 바람직하다.

그 실시예로서 미도시되었으나, 상기 바스켓(10)은 “

”또는 “

”형태의 통 구조로 형성되도록 함이 더욱 바람직하다.

한편, 상기 설치베이스(2) 상에서 바스켓(10)의 길이이동방향 전방에 구비되어 레일(94)을 따라 직선 이동되는 바스켓(10)이 장입되는 진공챔버(20)가 구비된다.

상기 바스켓(10)이 장입된 진공챔버(20)를 밀폐한 후, 진공챔버(20)에 연결된 진공펌프(81)를 가동하여 진공챔버(20) 내부에 진공분위기를 형성토록 해야 하는데, 이때, 상기 진공펌프(81)는 실시예로서 수봉식 진공펌프를 사용토록 하며, 이러한 수봉식 진공펌프를 구동시켜 진공챔버(20) 내부를 0.08㎫ 정도의 진공으로 형성토록 한다. 이때, 상기 수봉식 진공펌프에 연결된 냉각칠러를 가동하여 수봉수가 18℃이하가 유지되도록 함이 바람직하다.

또한, 상기 진공챔버(20)의 내부면에 다수 구비되어 배터리(5)의 전해액을 기화시키도록 진공챔버(20) 내부를 650℃까지 가열하는 히터(25)가 구비된다.

상기 기화되는 배터리(5)의 전해액은 주로 Cyclic carbonate, Linear carbonate, Linear Ester 계열이 있으며, 서로 다른 특성을 가지고 있고, 이는 단독으로 사용할 수 없고 적절하게 용도에 맞게 적어도 2개 이상을 혼합하여 사용된다. 이러한 전해액은 EC, PC, DMC, DEC, EMC 등으로 끓는점은 90℃ ~ 247℃이다. 그리고, 전해액염은 주로 LiPF6가 사용된다.

이때, 상기 히터(25)를 650℃까지 가열하여 진공챔버(20) 내의 배터리의 전해액을 기화시키는 과정에서, 단번에 650℃까지 가열하지 않고 100℃를 1차설정온도로 하여 60∼70분 동안 1차상승시키고, 상기 1차상승 후, 60∼70분 동안 100℃의 1차설정온도를 유지토록 하며, 200℃를 2차설정온도로 하여 60∼70분 동안 2차상승시키고, 상기 2차상승 후, 120∼130분 동안 200℃의 2차설정온도를 유지토록 하며, 450℃를 3차설정온도로 하여 90∼100분 동안 3차상승시키고, 상기 3차상승 후, 120∼130분 동안 450℃의 3차설정온도를 유지토록 하며, 650℃를 4차설정온도로 하여 90∼100분 동안 4차상승시키고, 상기 4차상승 후, 180∼190분 동안 650℃의 4차설정온도를 유지토록 구성한다.

이와 같이 상기 진공챔버(20)의 내부를 일정시간 동안의 다단으로 온도를 650℃까지 가열상승시키되, 일정시간 가열온도상승 및 일정시간 온도유지를 반복함으로써 해당온도에서 온도유지 시간동안에 배터리(2)의 전해액 기화가 충분히 이루어지도록 함으로써 전해액 기화율을 높이도록 구성한다.

그리고, 상기 히터(25)는 미도시되었으나 진공챔버(20) 내주연에서 띠 형태로 다수 형성되어 일정간격으로 배치되도록 함으로써 진공챔버(20) 내의 일정한 온도유지가 용이토록 구현하였다.

한편, 상기 기화된 배터리(5)의 전해액을 진공챔버(20)의 하부측으로 낙하이동시키도록 진공챔버(20)의 바닥측에 연통설치되는 다수의 수직이동관(22)이 구비되고, 상기 다수의 수직이동관(22)에 각각 연결되어 수직이동관(22)을 통해 낙하이동된 배터리(5)의 전해액을 응축시키는 리시버탱크(30)가 구비되며, 상기 리시버탱크(30)에서 응축된 응축수를 외부로 배출시키도록 리시버탱크(30)의 바닥측에 각각 연통설치되는 배출관(32)이 구비된다.

이때, 상기 리시버탱크(30)에서 응축된 응축수를 리시버탱크(30)의 바닥측에 연통된 배출관(32)을 통해 외부로 배출시키도록 하며, 이러한 응축과정에 의해 진공챔버(20) 내에서 기류가 발생하게 되고, 이에 따라 진공분위기 내에서 온도가 잘 전달되는 것이다.

상기 리시버탱크(30)에 응축된 유기용제는 Air Diaphragm Pump로 이송하여 별도의 보관탱크에 저장토록 한다.

또한 이때, 상기 리시버탱크(30) 내에서 완전한 응축처리가 이루어지지 못할 우려가 있어, 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 상기 리시버탱크(30)의 상단측에 이동관(35)이 연통 연결되고, 상기 이동관(35)의 이동측 단부에 콜드트랩(40)이 연결되며, 상기 콜드트랩(40)의 단부에 배출관(42)이 연결되어, 상기 리시버탱크(30)에서 처리되지 못한 기체가 이동관(35)을 통해 콜드트랩(40)에 공급되어 응축되도록 함으로써 2중 응축이 이루어지게 하였다.

또 한편, 상기 배터리(5)의 기화가 완료된 진공챔버(20) 내의 진공을 해제하기 위해 질소 또는 에어를 충진하는 진공해제충진수단이 구비된다.

상기 진공해제충진수단의 실시예로서, 상기 배터리의 기화가 완료된 진공챔버(20) 내에 질소 또는 에어를 충진하여 진공챔버(20) 내부의 압력을 줄이면서 진공을 해제토록 한다.

그런 다음, 상기 진공챔버(20) 내에 위치된 바스켓(10)을 후진이동시켜 배터리를 꺼낸 다음, 상기 배터리를 파쇄하여 선별라인으로 이동시킨다.

이때, 전해액이 기화된 배터리(5)는 도 2에서와 같이 형성되며, 이를 1차파쇄하게 되면 도 3의 (a)와 같이 배터리1차파쇄분(5-1)이 형성되고, 이를 다시 2차파쇄(ER Process)에 투입하게 되면 도 3의 (b)와 같이 배터리2차파쇄분(5-2)이 형성된다.

그리고, 2차파쇄된 기화 배터리(5)를 준비한 다음, 분리체(미도시됨)를 통해 구리(및 알루미늄, 도 4의 (a), 5-3)와 블랙파우더(도 4의 (b), 5-4)로 분리시킴으로써 본 발명의 폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치가 완성된다.

상술된 본 발명의 폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치에 의하면, 진공에서의 열분해로 인한 방전유도와 더불어 전해질제거 및 회수, 나아가서는 각종 고분자까지 증류공정으로 처리가능하여 파분쇄시 고품질의 원료를 회수할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은, 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 명확히 하여야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

5: 배터리 10: 바스켓
20: 진공챔버 22: 수직이동관
25: 히터 30: 리시버탱크
32: 배출관 81: 진공펌프
94: 레일

Claims

폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치를 구성함에 있어서,
지면에 설치된 설치베이스(2) 상의 직선형 레일(94) 상에 이동가능하게 구비되어 수용공간을 갖는 바스켓(10); 상기 바스켓(10)은 금속재질로 된 망 형태로서, 수용공간을 갖으며 상부가 개방된 “
”또는 “
”형태의 통 구조로 형성되어 외부케이스가 제거된 다수의 배터리(5)가 수용되고,
상기 설치베이스(2) 상에서 바스켓(10)의 길이이동방향 전방에 구비되어 레일(94)을 따라 직선 이동되는 바스켓(10)이 장입되는 진공챔버(20);
상기 레일(94)에 연결되어 레일(94)을 직선이동시키는 체인(92) 및 체인모터(91);
상기 진공챔버(20) 내부에 진공분위기를 형성하도록 연결되는 진공펌프(81); 상기 진공펌프(81)는 수봉식 진공펌프이며, 상기 수봉식 진공펌프를 구동시켜 진공챔버(20) 내부를 0.08㎫의 진공으로 형성토록 하고, 상기 수봉식 진공펌프에 연결된 냉각칠러를 가동하여 수봉수의 온도를 유지토록 하며,
상기 진공챔버(20)의 내부면에 다수 구비되어 배터리(5)의 전해액을 기화시키도록 진공챔버(20) 내부를 가열하는 히터(25); 상기 히터(25)는 진공챔버(20) 내주연에서 띠 형태로 다수 형성되어 일정간격으로 배치 구성되고,
상기 히터(25)를 650℃까지 가열하여 진공챔버(20) 내의 배터리(5)의 전해액을 기화시키되,
100℃를 1차설정온도로 하여 60∼70분 동안 1차상승시키고, 상기 1차상승 후, 60∼70분 동안 100℃의 1차설정온도를 유지토록 하며,
200℃를 2차설정온도로 하여 60∼70분 동안 2차상승시키고, 상기 2차상승 후, 120∼130분 동안 200℃의 2차설정온도를 유지토록 하며,
450℃를 3차설정온도로 하여 90∼100분 동안 3차상승시키고, 상기 3차상승 후, 120∼130분 동안 450℃의 3차설정온도를 유지토록 하며,
650℃를 4차설정온도로 하여 90∼100분 동안 4차상승시키고, 상기 4차상승 후, 180∼190분 동안 650℃의 4차설정온도를 유지토록 하는 방식으로, 일정시간 가열온도상승 및 일정시간 온도유지를 반복토록 하여, 상기 온도유지 시간동안에 배터리(2)의 전해액 기화가 이루어지도록 함으로써 전해액 기화율을 높이도록 하고,
상기 전해액은 Cyclic carbonate, Linear carbonate, Linear Ester 계열 중 적어도 2개 이상을 혼합하여 사용토록 하고,
상기 기화된 배터리(5)의 전해액을 진공챔버(20)의 하부측으로 낙하이동시키도록 진공챔버(20)의 바닥측에 연통설치되는 다수의 수직이동관(22);
상기 다수의 수직이동관(22)에 각각 연결되어 수직이동관(22)을 통해 낙하이동된 배터리(5)의 전해액을 응축시키는 리시버탱크(30); 상기 리시버탱크(30)에 응축된 유기용제는 Air Diaphragm Pump로 이송하여 별도의 보관탱크에 저장토록 구성하고,
상기 리시버탱크(30)에서 응축된 응축수를 외부로 배출시키도록 리시버탱크(30)의 바닥측에 각각 연통설치되는 배출관(32);
상기 배터리(5)의 기화가 완료된 진공챔버(20) 내의 진공을 해제하기 위해 질소 또는 에어를 충진하는 진공해제충진수단;을 포함하여 이루어지게 하고,
상기 배터리(5)는 1차파쇄하여 배터리1차파쇄분(5-1)이 형성되게 하고, 이를 다시 2차파쇄(ER Process)에 투입하여 배터리2차파쇄분(5-2)이 형성되게 한 후, 분리체를 통해 구리 및 알루미늄과, 블랙파우더로 분리시키도록 구성하는 것을 특징으로 하는 폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치.
제1항에 있어서,
상기 리시버탱크(30)의 상단측에 이동관(35)이 연통 연결되고, 상기 이동관(35)의 이동측 단부에 콜드트랩(40)이 연결되며, 상기 콜드트랩(40)의 단부에 배출관(42)이 연결되어, 상기 리시버탱크(30)에서 처리되지 못한 기체가 이동관(35)을 통해 콜드트랩(40)에 공급되어 응축되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 폐리튬이온배터리 진공 열분해 장치.
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