KR102650212B1 - Method for selective recovery of nickel and cobalt from nickel-cobalt-manganese mixture - Google Patents

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Abstract

니켈-코발트-망간 혼합물로부터의 니켈 및 코발트의 선택적 회수 방법이 개시된다. 상기 니켈-코발트-망간 혼합물로부터의 니켈 및 코발트의 선택적 회수 방법은, 니켈-코발트-망간 혼합물을 탄산화하는 제1 단계; 탄산화된 상기 혼합물을 수세한 뒤, 고체 상과 액체 상을 고액 분리하는 제2 단계; 상기 고체 상을 가열하여 니켈 및 코발트를 선택적 수소환원시키는 제1 단계; 및 선택적 수소환원된 고체 상에 플럭스를 첨가하여 용융시킨 뒤, 슬래그를 제거하여 니켈 및 코발트 합금을 수득하는 제2 단계를 포함한다. A method for selective recovery of nickel and cobalt from a nickel-cobalt-manganese mixture is disclosed. The method for selective recovery of nickel and cobalt from the nickel-cobalt-manganese mixture includes a first step of carbonating the nickel-cobalt-manganese mixture; A second step of washing the carbonated mixture with water and then separating the solid phase and the liquid phase into solid and liquid; A first step of selective hydrogen reduction of nickel and cobalt by heating the solid phase; And a second step of adding flux to the selectively hydrogen-reduced solid to melt it and then removing the slag to obtain a nickel and cobalt alloy.

Description

니켈-코발트-망간 혼합물로부터의 니켈 및 코발트의 선택적 회수 방법 {Method for selective recovery of nickel and cobalt from nickel-cobalt-manganese mixture}Method for selective recovery of nickel and cobalt from nickel-cobalt-manganese mixture}

본 발명은 니켈-코발트-망간 혼합물로부터의 니켈 및 코발트의 선택적 회수 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 금속산화물의 선택적 수소환원 및 용융 슬래그 제거 공정을 이용하는, 니켈-코발트-망간 혼합물로부터의 니켈 및 코발트의 선택적 회수 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for selective recovery of nickel and cobalt from a nickel-cobalt-manganese mixture, and more particularly, to a method for selective recovery of nickel and cobalt from a nickel-cobalt-manganese mixture using a selective hydrogen reduction of metal oxide and molten slag removal process. and a method for selective recovery of cobalt.

현재 사용하고 있는 금속 자원은 광산 자원과 재생 자원 2가지로 나뉘며, 상기 광산 자원은 나날이 감소되며 더 나아가면 고갈될 수도 있다. 따라서 상기 금속 자원을 재생하여 사용하는 재생 자원은 오늘날 원료 생산의 주요 방법이 될 것이다. 리튬 이온 배터리 성분의 약 40%를 차지하는 핵심소재인 양극재는, 희유금속인 니켈, 코발트, 및 망간 등 중금속이 함유되어 있으며, 리튬 이온 배터리의 사용량에 따른 양극재 원재료 수요 및 가치 상승이 예상된다.Metal resources currently in use are divided into mine resources and renewable resources, and the mine resources are decreasing day by day and may be depleted further. Therefore, renewable resources using the above metal resources will become the main method of raw material production today. Cathode materials, a core material that accounts for about 40% of lithium-ion battery components, contain heavy metals such as rare metals nickel, cobalt, and manganese, and the demand for and value of cathode raw materials is expected to increase depending on the usage of lithium-ion batteries.

리튬은 배터리, 유리, 합금, 세라믹, 윤활유, 및 제약 등 산업 전반에 걸쳐 다양하게 사용되고 있다. 이전에는 휴대용 전자기기에만 주로 사용되던 리튬 이온 배터리가, 전기자동차의 주요 동력원으로 사용되기 시작하며, 리튬 이온 배터리 시장은 리튬 소모량에 있어 가장 주된 시장으로 부상하고 있다. 망간의 소비는 대부분 제강업체나 건전지 제조업체에서 소비되어 왔으나, 2차전지의 수요증가에 따라 전지업체에서 수요가 늘고 있는 상황이다. 코발트는 특성에 따라 많은 산업에서 매우 다양한 용도로 사용되고 있지만 일반적으로 코발트 수요의 절반은 리튬 이온 배터리에 집중되고 있다. 전기차 수요의 증가에 따라 리튬 이온 배터리 핵심소재인 코발트의 수요는 꾸준히 증가할 것으로 예상되는 상황이다. 전기차용 리튬 이온 내 니켈 함량을 높이는 양극재 개발 방향에 따라 니켈 수요는 큰 폭으로 증가할 것으로 예상된다. 또한 현재 양극활물질은 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈의 함량을 높이는 방향으로 발전하고 있어, 니의켈 수요가 폭발적으로 확대됨에 따라 니켈의 공급 부족은 NCM(NixCoyMnz) 양극활물질 가격 상승의 요인이 되기 때문에, 니켈의 수급 안정을 위해 상기 성분들의 재활용 기술의 개발이 시급한 상황이다.Lithium is used in a variety of industries, including batteries, glass, alloys, ceramics, lubricants, and pharmaceuticals. Lithium-ion batteries, which were previously mainly used only in portable electronic devices, are beginning to be used as the main power source for electric vehicles, and the lithium-ion battery market is emerging as the most important market in terms of lithium consumption. Most manganese has been consumed by steel manufacturers and battery manufacturers, but as demand for secondary batteries increases, demand from battery companies is increasing. Cobalt is used for a wide variety of purposes in many industries depending on its properties, but generally half of cobalt demand is concentrated in lithium-ion batteries. As demand for electric vehicles increases, demand for cobalt, a core material for lithium-ion batteries, is expected to steadily increase. Demand for nickel is expected to increase significantly following the development of cathode materials that increase the nickel content in lithium ions for electric vehicles. In addition, current cathode active materials are developing in the direction of increasing the nickel content to increase energy density, and as the demand for nickel expands explosively, the supply shortage of nickel is leading to an increase in the price of NCM (Ni x Co y Mn z ) cathode active materials. Because this is a factor, the development of recycling technology for the above components is urgently needed to stabilize the supply and demand of nickel.

첫째로, 사용 후 전기차용 리튬 이온 배터리로부터 유가금속을 회수하는 종래의 기술로는, 습식야금공정이 있다. 이는, 산을 이용하여 전극물질 침출 후 용매추출법으로 코발트와 리튬 분리하는 방법으로, 탄산리튬 및 황산코발트 제조 가능하지만, 용매 추출 공정이 복잡하며, 산침출로 인한 폐수처리 및 환경비용 증가 부담이라는 단점이 존재한다. 둘째로, 사용 후 폐 리튬 이온 배터리 및 LCO 분말로부터의 코발트를 회수하는 종래의 기술로는, 액상 환원 공정이 있다. 이는, 폐 LCO로부터 코발트 회수 방법은 산과 같은 유해한 유기물 및 약품을 상용하여 용해 후 액상환원공정으로 제품을 제조하는 공정으로, 타 공정에 비해 반응 속도 및 수득율이 높고 분말 입도 및 형상 제어가 용이하지만, 환경에 유해한 강산 용액 및 약품을 사용해야하고 중간 생성물이 다량 발생하여 생산 공정이 복잡하며 폐기물 용액 발생량이 증가함에 따라 생산 단가가 저하된다는 단점이 존재한다. 마지막으로, 자연해수 및 염호로부터 탄산리튬을 회수하는 종래의 기술로는, 증발법이 있다. 이는, 리튬을 포함하는 소금물에서 물을 증발시키고 탄산 나트륨을 첨가해 탄산 리튬을 얻는 공정으로, 소금물을 리튬 함유량이 0.5%를 초과할 때까지 농축하며, 물에 잘 녹지 않는 탄산 리튬을 건져내는 방식을 사용한다. 상기 공정을 통해 다음의 화학식 1과 같은 반응으로 염화리튬이 해수 내 탄산나트륨과 반응하여 리튬을 수득할 수 있다.First, a conventional technology for recovering valuable metals from used lithium-ion batteries for electric vehicles is the hydrometallurgical process. This is a method of leaching electrode material using acid and then separating cobalt and lithium using solvent extraction. It is possible to produce lithium carbonate and cobalt sulfate, but the solvent extraction process is complicated, and the disadvantages are the burden of wastewater treatment and increased environmental costs due to acid leaching. This exists. Second, a conventional technology for recovering cobalt from spent lithium-ion batteries and LCO powder includes a liquid phase reduction process. This is a process of recovering cobalt from waste LCO by dissolving harmful organic substances such as acids and chemicals and then manufacturing the product through a liquid phase reduction process. Compared to other processes, the reaction rate and yield are higher, and powder particle size and shape are easy to control. The disadvantage is that strong acid solutions and chemicals that are harmful to the environment must be used, a large amount of intermediate products are generated, the production process is complicated, and as the amount of waste solution generated increases, the production cost decreases. Lastly, a conventional technique for recovering lithium carbonate from natural seawater and salt lakes is the evaporation method. This is a process of obtaining lithium carbonate by evaporating water from salt water containing lithium and adding sodium carbonate. The salt water is concentrated until the lithium content exceeds 0.5%, and lithium carbonate, which does not dissolve well in water, is taken out. Use . Through the above process, lithium can be obtained by reacting lithium chloride with sodium carbonate in seawater through a reaction shown in Chemical Formula 1 below.

(1) (One)

그러나 상기 공정은, 해수는 거의 무한에 가까운 자원으로 자원고갈의 문제성이 없다는 장점이 있으나 물을 증발시키고 탄산나트륨을 첨가하는 공정으로 회수하는 데에 많은 시간이 소요되고 해수 내 수득된 리튬의 농도가 낮아 대량의 처리 장비가 필수적이라는 단점이 있다.However, the above process has the advantage that there is no problem of resource depletion as seawater is an almost infinite resource. However, it takes a lot of time to recover as it is a process of evaporating water and adding sodium carbonate, and the concentration of lithium obtained in seawater is low. The disadvantage is that a large amount of processing equipment is required.

따라서, 상기 단점들을 모두 극복할 수 있는 신규한 리튬 이온 배터리 내 화합물의 회수 방법이 필요한 실정이다.Therefore, there is a need for a novel recovery method for compounds in lithium ion batteries that can overcome all of the above shortcomings.

본 발명의 일 목적은, 금속산화물의 선택적 수소환원 및 용융 슬래그 제거 공정을 이용하는 니켈-코발트-망간 혼합물로부터의 니켈 및 코발트의 선택적 회수 방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a method for selective recovery of nickel and cobalt from a nickel-cobalt-manganese mixture using selective hydrogen reduction of metal oxides and molten slag removal processes.

일 측면으로서, 본 발명은, 니켈, 코발트 및 망간 중 어느 하나 이상의 산화물들의 혼합물을 수소 분위기에서 열처리하는 제1단계; 및 상기 제1단계 후의 수득물을 도가니 내 불활성 분위기에서 용융 후 슬래그 제거하는 제2단계를 포함하는, 니켈-코발트의 합금 제조 및 선택적 회수 방법을 제공한다.As one aspect, the present invention includes a first step of heat treating a mixture of oxides of one or more of nickel, cobalt, and manganese in a hydrogen atmosphere; And it provides a method for producing and selectively recovering a nickel-cobalt alloy, comprising a second step of melting the product obtained after the first step in an inert atmosphere in a crucible and then removing slag.

본 발명은, 니켈-코발트-망간 혼합물, 바람직하게는 사용 후 니켈-코발트-망간(NCM) 전지의 분말로부터 니켈 및 코발트를 선택적으로 회수하는 방법을 개시한다.The present invention discloses a method for selectively recovering nickel and cobalt from a nickel-cobalt-manganese mixture, preferably powder from spent nickel-cobalt-manganese (NCM) batteries.

상기 산화물은, 폐전지 NCM 전지를 CO, CO2 또는 CO 및 CO2의 혼합 가스 분위기에서 탄산화 공정; 및 상기 탄산화공정 이후의 수득물을 수침출하는 단계를 포함하는 수침출 공정을 포함하는 공정으로 수득된 것을 특징으로 한다. 상기 탄산화 공정은, 리튬-니켈-코발트-망간 혼합물로부터 리튬 성분을 선택적으로 회수하기 위한 단계로써, 상기 리튬이 Li2CO3로 상변화될 수 있다. 이때, 상기 리튬-니켈-코발트-망간 혼합물에 이산화탄소(CO2) 포함 가스를 주입하는 것에 의해, 상기 리튬을 탄산화시킬 수 있다. 상기 탄산화 공정은 CO2와 상기 니켈-코발트-망간 혼합물 내 리튬 성분 사이의 열반응에 의해 수행될 수 있는데, 상기 탄산화 공정을 통해, 상기 리튬은 CO2와 반응하여 Li2CO3가 형성될 수 있다. 이때, 상기 이산화탄소(CO2) 포함 가스는, CO와 CO2의 혼합 가스일 수 있고, 또는 CO2 단독 가스일 수 있다. 또한, 상기 탄산화 공정은, 불활성 분위기에서 700 내지 900℃로 승온하는 단계; 및 CO, CO2 또는 CO 및 CO2의 혼합 가스 분위기에서 일정 시간 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 탄산화 공정의 열반응을 수행하기 전, 불활성 기체를 상기 니켈-코발트-망간 혼합물에 100cc/min 내지 300cc/min으로 주입하며 승온시키는 것을 특징으로 한다. 상기 탄산화 공정의 열반응을 위해 승온이 이루어질 수 있는데, 상기 승온은 불활성 분위기 하에서 이루어질 수 있다. 이때, 상기 불활성 기체는 질소(N2) 및 아르곤(Ar) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 승온 후, 열반응 목표 온도에 도달하게 되면, 반응가스로써 환원성 가스인 CO2 포함 가스(환원성 가스)를 주입하여 하소 반응을 실시할 수 있고, 이때, 상기 열반응 시간은 1시간 내지 3시간 동안 이루어질 수 있다. 상기 수침출 공정은, 상기 리튬-니켈-코발트-망간 혼합물로부터 리튬 성분을 분리하는 단계로써, 상기 탄산화 공정을 통해 형성된 Li2CO3를 수침출하는 방법에 의해 이루어질 수 있다. 상기 Li2CO3는, 수용성이 높은 특성을 갖기 때문에, 탄산화 후의 혼합물을 물로 수세하는 것에 의해, 혼합물 내 니켈-코발트-망간 성분과 분리될 수 있다. 이때, 상기 Li2CO3는 수침출되어 액체 상을 가질 수 있고, 상기 니켈-코발트-망간 성분은 산화물의 고체 상 형태로 여과될 수 있다. 상기 수침출 공정의 수세는, 상기 탄산화된 니켈-코발트-망간 혼합물과 물의 무게 비율 1:10 내지 1:50으로 수행되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 수침출 공정의 수세는, 바람직하게는 1시간 내지 5시간 수행될 수 있다. 상기 수침출 공정의 고액 분리 후, 형성된 고체 상을 건조하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다. 물에 용해된 Li2CO3를 포함하는 상기 액체 상과, 니켈, 코발트 및 망간의 산화물 형태인 상기 고체 상을 고액 분리하기 위해서, 감압 여과를 이용할 수 있다. 상기 고액 분리 후 고체 상을 회수하기 위하여, 바람직하게는, 200℃에서 24시간 동안 건조할 수 있다.The oxide is carbonated from a waste NCM battery in a CO, CO 2 or mixed gas atmosphere of CO and CO 2 ; and a water leaching process including the step of water leaching the product obtained after the carbonation process. The carbonation process is a step for selectively recovering the lithium component from the lithium-nickel-cobalt-manganese mixture, and the lithium can be phase changed into Li 2 CO 3 . At this time, the lithium can be carbonated by injecting a gas containing carbon dioxide (CO 2 ) into the lithium-nickel-cobalt-manganese mixture. The carbonation process may be performed by a thermal reaction between CO 2 and the lithium component in the nickel-cobalt-manganese mixture. Through the carbonation process, the lithium may react with CO 2 to form Li 2 CO 3 there is. At this time, the carbon dioxide (CO 2 )-containing gas may be a mixed gas of CO and CO 2 or may be a CO 2 gas alone. Additionally, the carbonation process includes raising the temperature to 700 to 900° C. in an inert atmosphere; and maintaining the mixture for a certain period of time in an atmosphere of CO, CO 2 , or a mixed gas atmosphere of CO and CO 2 . Before performing the thermal reaction of the carbonation process, an inert gas is injected into the nickel-cobalt-manganese mixture at a rate of 100 cc/min to 300 cc/min and the temperature is raised. The temperature may be raised for the thermal reaction of the carbonation process, and the temperature may be raised under an inert atmosphere. At this time, the inert gas is characterized in that it contains one or more of nitrogen (N 2 ) and argon (Ar). After the temperature rise, when the thermal reaction target temperature is reached, the calcination reaction can be performed by injecting CO 2 -containing gas (reducing gas) as a reaction gas. In this case, the thermal reaction time is 1 to 3 hours. It can be done during The water leaching process is a step of separating the lithium component from the lithium-nickel-cobalt-manganese mixture, and can be performed by water leaching Li 2 CO 3 formed through the carbonation process. Since Li 2 CO 3 has high water solubility, it can be separated from the nickel-cobalt-manganese component in the mixture by washing the carbonated mixture with water. At this time, the Li 2 CO 3 may be leached with water and have a liquid phase, and the nickel-cobalt-manganese component may be filtered in the form of a solid oxide. The water leaching process is characterized in that the carbonated nickel-cobalt-manganese mixture and water are washed at a weight ratio of 1:10 to 1:50. Additionally, the water washing in the water leaching process may preferably be performed for 1 hour to 5 hours. After the solid-liquid separation of the water leaching process, the process of drying the formed solid phase is further included. Reduced pressure filtration can be used to separate the liquid phase comprising Li 2 CO 3 dissolved in water and the solid phase in the form of oxides of nickel, cobalt and manganese. In order to recover the solid phase after the solid-liquid separation, it is preferably dried at 200°C for 24 hours.

상기 제1 단계는, 회수된 고체 상을 선택적 수소환원하여 망간을 제외한 니켈 및 코발트를 금속 상으로 선택적 회수하는 단계로써, 상기 망간은 산화물의 형태를 유지하지만 상기 니켈 및 코발트는 금속 상으로 변화할 수 있다. 이때, 상기 선택적 수소환원을 위하여, 상기 고체 상을 수소(H2) 기체와 500℃ 내지 700℃에서 가열 반응시킬 수 있고, 바람직하게는, 상기 가열 반응은 30분 내지 120분 동안 수행될 수 있다. 상기 가열 온도가 500℃ 내지 700℃일 때, 상기 니켈 및 코발트에 수소환원 반응이 발생하지만, 상기 망간에는 수소환원 반응이 발생하지 않아 산화물의 상태를 유지할 수 있다. 이처럼, 일부 성분에만 수소환원이 발생하여 성분 분리를 가능하게 한다. 상기 제1 단계의 선택적 수소환원에서, 상기 수소(H2)는 100cc/min 내지 300cc/min으로 주입되는 것을 특징으로 한다.The first step is to selectively recover nickel and cobalt, excluding manganese, as a metal phase by selectively hydrogenating the recovered solid phase, wherein the manganese maintains the form of an oxide, but the nickel and cobalt change to a metal phase. You can. At this time, for the selective hydrogen reduction, the solid phase may be subjected to a heating reaction with hydrogen (H 2 ) gas at 500°C to 700°C, and preferably, the heating reaction may be performed for 30 to 120 minutes. . When the heating temperature is 500°C to 700°C, a hydrogen reduction reaction occurs in the nickel and cobalt, but a hydrogen reduction reaction does not occur in the manganese, so that the oxide state can be maintained. In this way, hydrogen reduction occurs only in some components, making component separation possible. In the selective hydrogen reduction of the first step, the hydrogen (H 2 ) is characterized in that it is injected at a rate of 100 cc/min to 300 cc/min.

상기 제2 단계는, 일부만 수소환원된 상기 고체 상, 바람직하게는 망간 산화물, 니켈 및 코발트의 분말 상에 플럭스를 첨가하여 니켈 및 코발트를 합금 상태로 수득하는 단계로써, 상기 고체 상에 플럭스를 첨가하면 상기 제3 단계에서 수소환원되지 않은 망간 산화물이 플럭스와 반응하여 슬래그 형태를 갖기 때문에 이를 제거하여 남은 니켈 및 코발트 합금을 수득할 수 있다. 이때, 상기 플럭스는 산화칼슘(CaO) 및 이산화규소(SiO2)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 플럭스 내 상기 산화칼슘(CaO)과 상기 이산화규소(SiO2)의 첨가 비율은 1:1인 것을 특징으로 한다. 상기 CaO는 상기 MnO 대비 0.5 내지 2배의 몰비로 투입되고, 상기 SiO2는 상기 MnO 대비 1 내지 2배의 몰비로 투입되는 것을 특징으로 한다.The second step is to obtain nickel and cobalt in an alloy state by adding flux to the partially hydrogen-reduced solid phase, preferably to the powder phase of manganese oxide, nickel and cobalt, and adding flux to the solid phase. In the third step, the non-hydrogenated manganese oxide reacts with the flux and forms slag, so it can be removed to obtain the remaining nickel and cobalt alloy. At this time, the flux is characterized in that it contains calcium oxide (CaO) and silicon dioxide (SiO 2 ). In addition, the addition ratio of calcium oxide (CaO) and silicon dioxide (SiO 2 ) in the flux is 1:1. The CaO is added at a molar ratio of 0.5 to 2 times that of the MnO, and the SiO 2 is added at a molar ratio of 1 to 2 times that of the MnO.

또한, 상기 제2 단계의 용융은, 700℃ 내지 900℃에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 1500℃ 내지 1700℃에서 이루어질 수 있고, 더욱 바람직하게는 1600℃에서 이루어질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 제2 단계의 용융은 불활성 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 한다. 이는, 상기 고체 상 내 포함된 니켈 및 코발트가 재산화되는 것을 방지하기 위한 것이며, 상기 불활성 분위기는 질소 또는 아르곤 기체에 의해 유지될 수 있다. 상기 용융을 통해, 상기 고체 상 내 망간 산화물은, 상기 플럭스에 의해 슬래그로 형성되어 용이하게 성분 분리 및 제거될 수 있다. 상기 망간 산화물이 슬래그를 통해 제거되며, 슬래그를 제외한 성분은 니켈 및 코발트 합금으로 수득될 수 있다. 추가로, 상기 제2단계의 도가니는, 탄소도가니 내 알루미나 도가니가 장입된 도가니인 것을 특징으로 한다.In addition, the second stage melting may be performed at 700°C to 900°C, preferably at 1500°C to 1700°C, and more preferably at 1600°C. In one embodiment, the second step of melting is performed under an inert atmosphere. This is to prevent nickel and cobalt contained in the solid phase from being reoxidized, and the inert atmosphere can be maintained by nitrogen or argon gas. Through the melting, the manganese oxide in the solid phase is formed into slag by the flux and can be easily separated and removed. The manganese oxide is removed through slag, and components excluding slag can be obtained as nickel and cobalt alloy. Additionally, the crucible in the second step is characterized in that it is a crucible in which an alumina crucible is charged into a carbon crucible.

본 발명에 따르면, 금속산화물의 선택적 수소환원 및 용융 슬래그 제거 공정을 이용하여 열반응이라는 간단하고 비용 효율적인 방법을 통해 사용 후 리튬 이온 배터리의 니켈-코발트-망간 혼합물 내 성분을 분별하여 수득할 수 있고, 유해한 강산 및 약품 등의 사용도 하지 않아 환경에도 효과적인 방법을 통하여 사용 후 리튬 이온 배터리의 니켈-코발트-망간 혼합물 내 성분을 분별하여 수득할 수 있다.According to the present invention, the components in the nickel-cobalt-manganese mixture of a used lithium ion battery can be fractionated and obtained through a simple and cost-effective method called thermal reaction using a selective hydrogen reduction and molten slag removal process of metal oxide. , it can be obtained by separating the components in the nickel-cobalt-manganese mixture of a lithium-ion battery after use through an environmentally friendly method that does not use harmful strong acids or chemicals.

도 1은 본 발명의 니켈 및 코발트의 선택적 회수 방법의 흐름도이다.
도 2는 선택적 수소환원의 온도에 따른, 선택적 수소환원된 고체 상의 XRD 그래프이다.
도 3은 니켈 및 코발트 합금의 2원계 상태도 그래프이다.
도 4는 망간 산화물, 산화칼슘, 및 이산화규소의 1600℃에서의 3원계 상태도 그래프이다.
도 5는 혼합 비율이 40 : 40 : 20인 산화칼슘(CaO) : 이산화규소(SiO2) : 망간 산화물(MnO) 혼합물의 1600℃에서의 3원계 상태도 그래프이다.
도 5는 플럭스 없이 알루미나 도가니에서 제2 단계의 용융 및 슬래그 형성 과정을 진행한 실시예 4의 사진이다.
도 6은 플럭스와 함께 탄소 도가니에서 제2 단계의 용융 및 슬래그 형성 과정을 진행한 실시예 7의 사진이다.
도 7는 플럭스와 함께 알루미나 도가니에서 제2 단계의 용융 및 슬래그 형성 과정을 진행한 실시예 5의 사진이다.
도 8은 플럭스와 함께 알루미나 도가니에서 제2 단계의 용융 및 슬래그 형성 과정을 진행한 실시예 6의 사진이다.
도 9는 실시예 6을 통해 제조된 슬래그의 XRD 그래프이다.
1 is a flow diagram of the method for selective recovery of nickel and cobalt of the present invention.
Figure 2 is an XRD graph of the selective hydrogen reduction solid phase according to the temperature of the selective hydrogen reduction.
Figure 3 is a binary phase diagram graph of nickel and cobalt alloy.
Figure 4 is a ternary phase diagram graph of manganese oxide, calcium oxide, and silicon dioxide at 1600°C.
Figure 5 is a ternary phase diagram graph at 1600°C of a calcium oxide (CaO):silicon dioxide (SiO2):manganese oxide (MnO) mixture with a mixing ratio of 40:40:20.
Figure 5 is a photograph of Example 4 in which the second stage melting and slag formation process was performed in an alumina crucible without flux.
Figure 6 is a photograph of Example 7 in which the second stage melting and slag formation process was performed in a carbon crucible with flux.
Figure 7 is a photograph of Example 5 in which the second stage melting and slag formation process was performed in an alumina crucible with flux.
Figure 8 is a photograph of Example 6 in which the second stage melting and slag formation process was performed in an alumina crucible with flux.
Figure 9 is an XRD graph of slag prepared through Example 6.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. Since the present invention can be subject to various changes and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "함유"한다고 할 때, 이는 특별히 달리 정의되지 않는 한, 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Throughout the specification, when a part “includes” or “contains” a certain element, this means that it may further include other elements, unless specifically defined otherwise. Additionally, as used herein, singular expressions include plural expressions, unless the context clearly dictates otherwise.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains, and are clearly stated in this application. Unless defined, it is not to be interpreted in an idealistic or overly formal sense.

이하, 본 발명이 개시하는 니켈-코발트-망간 혼합물로부터의 니켈 및 코발트의 선택적 회수 방법을, 본 발명의 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the method for selective recovery of nickel and cobalt from the nickel-cobalt-manganese mixture disclosed by the present invention will be described in more detail with reference to the drawings of the present invention.

도 1은 본 발명의 니켈 및 코발트의 선택적 회수 방법의 흐름도이다.1 is a flow diagram of the method for selective recovery of nickel and cobalt of the present invention.

(1) 탄산화 반응(1) Carbonation reaction

[니켈-코발트-망간 혼합물 → Li2CO3, NiO, CoO, MnO][Nickel-cobalt-manganese mixture → Li 2 CO 3 , NiO, CoO, MnO]

상기 도 1을 참조하면, 폐 리튬이온배터리의 사용 후 니켈-코발트-망간(NCM) 분말을 준비한 뒤, 이를 탄산화시킬 수 있다. 상기 니켈-코발트-망간(NCM) 분말 내에는 리튬이 포함될 수 있으며, 상기 탄산화를 통하여 상기 분말 내 리튬이 Li2CO3로 형성될 수 있다. 또한, 상기 분말 내 니켈, 코발트 및 망간 성분은, NiO, CoO, 및 MnO 등과 같이 산화물의 형태를 가질 수 있다. 상기 탄산화를 위해서, 상기 분말에 CO2 포함 가스를 주입하여 상기 가스와 상기 분말을 열반응시킬 수 있다. 이때, 상기 열반응은, 700℃ 내지 900℃까지 불활성 분위기 하에서 승온되어, CO2를 포함하는 환원성 가스를 주입한 뒤, 1시간 내지 3시간 동안 하소하는 것에 의해 수행될 수 있다.Referring to FIG. 1, after using a spent lithium ion battery, nickel-cobalt-manganese (NCM) powder can be prepared and then carbonated. Lithium may be included in the nickel-cobalt-manganese (NCM) powder, and lithium in the powder may be formed into Li 2 CO 3 through the carbonation. Additionally, the nickel, cobalt, and manganese components in the powder may be in the form of oxides such as NiO, CoO, and MnO. For the carbonation, gas containing CO 2 may be injected into the powder to cause a thermal reaction between the gas and the powder. At this time, the thermal reaction may be performed by raising the temperature to 700°C to 900°C under an inert atmosphere, injecting a reducing gas containing CO 2 , and calcining for 1 to 3 hours.

(2) 수침출 및 고액 분리(2) Water leaching and solid-liquid separation

[혼합물 → 액체 상 (Li2CO3), 고체 상 (NiO, CoO, MnO)][Mixture → liquid phase (Li 2 CO 3 ), solid phase (NiO, CoO, MnO)]

탄산화 반응 이후, 형성된 Li2CO3의 수용성 특징을 이용하여, 수침출 및 감압 여과를 실시하여 상기 분말 내 리튬을 분리할 수 있다. 상기 분말 내 리튬은 탄산화 반응 이후 형성된 Li2CO3는 수용성 특징을 갖기 때문에, 상기 분말을 수침출할 경우, 수용성인 Li2CO3만이 물에 용해되어 액체 상 내에 포함될 수 있고, 나머지 니켈-코발트-망간 산화물 포함 분말은 물에 용해되지 않아 고체 상으로 남을 수 있다. 상기 액체 상 및 상기 고체 상을 고액 분리하여 성분 분리를 수행할 수 있다. 이때, 상기 고액 분리를 위하여 감압 여과를 사용할 수 있다.After the carbonation reaction, using the water-soluble characteristics of the formed Li 2 CO 3 , lithium in the powder can be separated by performing water leaching and reduced-pressure filtration. Since Li 2 CO 3 formed after the carbonation reaction of the lithium in the powder has water-soluble characteristics, when the powder is leached with water, only the water-soluble Li 2 CO 3 can be dissolved in water and included in the liquid phase, and the remaining nickel-cobalt -Powders containing manganese oxide do not dissolve in water and may remain in a solid state. Component separation may be performed by separating the liquid phase and the solid phase into solid and liquid. At this time, reduced pressure filtration can be used to separate the solid and liquid.

(3) 선택적 수소환원(3) Selective hydrogen reduction

[고체 상 (NiO, CoO, MnO) → 금속 상 (Ni, Co), 산화물 (MnO)][Solid phase (NiO, CoO, MnO) → metal phase (Ni, Co), oxide (MnO)]

상기 고액 분리를 통해 수득된 고체 상을 수소 분위기 하에서 500℃ 내지 700℃로 가열하는 선택적 수소환원을 수행할 수 있다. 상기 선택적 수소환원을 통해, 상기 고체 상 내 존재하는 니켈 산화물 및 코발트 산화물이 환원되어 니켈 및 코발트 금속 상으로 전환될 수 있다. 이때, 상기 가열 온도가 망간 산화물이 환원되기에는 낮은 온도이기 때문에, 망간 산화물은 환원되지 않고 그대로 산화물의 형태를 유지할 수 있다. 상기 선택적 수소환원을 위하여, 수소 기체가 100cc/min 내지 300cc/min으로 주입될 수 있고, 상기 가열 반응은 30분 내지 120분 동안 수행될 수 있다.Selective hydrogen reduction can be performed by heating the solid phase obtained through the solid-liquid separation to 500°C to 700°C under a hydrogen atmosphere. Through the selective hydrogen reduction, nickel oxide and cobalt oxide present in the solid phase can be reduced and converted into nickel and cobalt metal phases. At this time, since the heating temperature is low enough for the manganese oxide to be reduced, the manganese oxide can maintain its oxide form without being reduced. For the selective hydrogen reduction, hydrogen gas may be injected at 100 cc/min to 300 cc/min, and the heating reaction may be performed for 30 to 120 minutes.

(4) 용융 및 슬래그 형성(4) Melting and slag formation

[금속 상 (Ni, Co), 산화물 (MnO) -> 용융 금속 (Ni, Co), 슬래그 (MnO)][Metal phase (Ni, Co), oxide (MnO) -> molten metal (Ni, Co), slag (MnO)]

상기 선택적 수소환원을 통해 형성된, 니켈 금속, 코발트 금속, 및 망간 산화물 3가지를 포함하는 혼합물에, 플럭스로 산화칼슘(CaO) 및 이산화규소(SiO2)를 주입하여 용융시키는 것을 통해 슬래그를 형성할 수 있다. 이때, 상기 용융 온도는 1500℃ 내지 1700℃ 일 수 있다. 상기 슬래그는, 용융을 통해 형성되는 융점이 낮은 비금속 물질로써, 산화물이 주성분이며 밀도 차이에 의해 상기 용융 금속의 표면 상에 부유할 수 있다. 상기 용융을 통해 슬래그를 형성하여 금속 상이 되지 못한 망간 산화물을 니켈 및 코발트 금속과 성분 분리할 수 있다. 상기 망간 산화물을 슬래그 형태로 성분 분리한 뒤, 용융 금속 상으로 남은 니켈 및 코발트 합금을 수득할 수 있다. Calcium oxide (CaO) and silicon dioxide (SiO 2 ) are injected and melted as a flux into a mixture containing three types of nickel metal, cobalt metal, and manganese oxide formed through the selective hydrogen reduction to form slag. You can. At this time, the melting temperature may be 1500°C to 1700°C. The slag is a non-metallic material with a low melting point formed through melting, has oxide as its main component, and can float on the surface of the molten metal due to a density difference. Through the melting, the manganese oxide that has not formed a metal phase by forming slag can be separated from the nickel and cobalt metals. After the manganese oxide is separated into slag form, the nickel and cobalt alloy remaining in the molten metal phase can be obtained.

이하 본 발명의 다양한 실시예 및 평가예에 대해 서술한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 일부 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.Hereinafter, various embodiments and evaluation examples of the present invention will be described. However, the following examples are only some examples of the present invention, and the present invention should not be construed as being limited to the following examples.

실시예 1Example 1

실시예 1에서는, 선택적 수소 환원을 500℃로 진행했고,In Example 1, selective hydrogen reduction was performed at 500°C ,

탄소 도가니 내 장입된 알루미나 도가니에서, CaO : SiO2 : MnO = 20 : 50 : 30의 몰비CaO 4.53g 및 SiO2 11.33g flux, 및 수소 환원 분말 40g을 장입하여 용융 및 슬래그 형성을 진행했다. In the alumina crucible charged into the carbon crucible , 4.53 g of CaO, 11.33 g flux of SiO2, and 40 g of hydrogen reduction powder were charged at a molar ratio of CaO:SiO2:MnO = 20:50:30 to proceed with melting and slag formation.

보다 구체적인 제조 방법은 아래와 같다.A more specific manufacturing method is as follows.

[수침출][Water leaching]

폐 리튬이온배터리의 사용 후 니켈-코발트-망간(NCM) 분말을 준비한 뒤, 상기 분말에 CO2 포함 가스를 주입한 뒤, 800℃까지 불활성 분위기 하에서 승온시켰다. 승온 이후, CO2를 포함하는 환원성 가스를 주입한 뒤, 2시간 동안 하소하였다. 상기 탄산화 반응 이후, 상기 탄산화 반응을 거친 분말을 수침출하였고, 감압 여과를 통해 상기 수침출로 형성된 고체 상 및 액체 상을 분리했다.Nickel-cobalt-manganese (NCM) powder was prepared after using a spent lithium-ion battery, CO2-containing gas was injected into the powder, and the temperature was raised to 800°C under an inert atmosphere. After raising the temperature, reducing gas containing CO2 was injected and calcined for 2 hours. After the carbonation reaction, the powder that had undergone the carbonation reaction was water leached, and the solid phase and liquid phase formed by the water leaching were separated through reduced pressure filtration.

[선택적 수소 환원][Selective hydrogen reduction]

수침출 후 고액 분리를 통해 수득된 고체 상을 수소 분위기 하에서 60분 동안 500℃에서 선택적 수소환원을 수행했다. 상기 선택적 수소환원은 수소 기체를 300cc/min으로 주입하여 수행되었다. 상기 선택적 수소환원을 통해, 상기 고체 상 내 존재하는 니켈 산화물 및 코발트 산화물이 환원되어 니켈 및 코발트 금속 상으로 전환되었다. 이때, 상기 가열 온도가 망간 산화물이 환원되기에는 낮은 온도이기 때문에, 망간 산화물은 환원되지 않고 그대로 산화물의 형태를 유지한다. 따라서, 상기 선택적 수소환원을 통하여, 환원된 니켈 및 코발트 산화물의 금속상과 망간 산화물 상이 혼재하게 된다.The solid phase obtained through water leaching and solid-liquid separation was subjected to selective hydrogen reduction at 500°C for 60 minutes under a hydrogen atmosphere. The selective hydrogen reduction was performed by injecting hydrogen gas at 300 cc/min. Through the selective hydrogen reduction, nickel oxide and cobalt oxide present in the solid phase were reduced and converted into nickel and cobalt metal phases. At this time, because the heating temperature is too low to reduce the manganese oxide, the manganese oxide is not reduced and maintains its oxide form. Therefore, through the selective hydrogen reduction, the reduced metal phase of nickel and cobalt oxide and the manganese oxide phase coexist.

[용융 및 슬래그 형성][Melting and slag formation]

상기 선택적 수소환원을 통해 형성된, 환원된 니켈 및 코발트 산화물의 금속상과 망간 산화물 상을 포함하는 혼합물인 수소 환원 분말 40g을 탄소 도가니 내 장입된 알루미나 도가니에 주입했다. 상기 알루미나 도가니에, 플럭스로써 산화칼슘(CaO) 및 이산화규소(SiO2)를 CaO : SiO2 : MnO = 20 : 50 : 30의 몰비로 CaO 4.53g 및 SiO2 11.33g 주입한 뒤 용융시켜 슬래그를 형성했다. 이때, 상기 용융 온도는 본 발명의 도 3 및 도 4에 개시된 2원계 및 삼원계 상태도를 참고하여 가장 적절한 온도인 1600℃로 180분 동안 수행했다. 상기 용융 및 슬래그 형성은, 아르곤 기체를 300cc/min으로 주입하여 불활성 분위기 형성을 통해 다시 산화물 상으로 변하는 것을 방지하며 수행되었다. 상기 플럭스 주입을 통해 슬래그를 형성하여, 금속 상이 되지 못한 망간 산화물을 니켈 금속 및 코발트 금속과 성분 분리하였다. 상기 망간 산화물을 슬래그 형태로 성분 분리한 뒤, 용융 금속 상으로 남은 니켈 및 코발트를 합금 형태로 수득하였다. 40 g of hydrogen reduction powder, which is a mixture containing the reduced metal phase of nickel and cobalt oxide and the manganese oxide phase formed through the selective hydrogen reduction, was injected into an alumina crucible loaded in a carbon crucible. Into the alumina crucible, 4.53 g of CaO and 11.33 g of SiO2 were injected as fluxes at a molar ratio of CaO:SiO2:MnO = 20:50:30 and melted to form slag. . At this time, the melting temperature was set at the most appropriate temperature of 1600°C for 180 minutes, referring to the binary and ternary phase diagrams disclosed in Figures 3 and 4 of the present invention. The melting and slag formation were performed by injecting argon gas at 300 cc/min to prevent change back to the oxide phase by forming an inert atmosphere. Slag was formed through the flux injection, and the manganese oxide that did not become a metal phase was separated from nickel metal and cobalt metal. After the manganese oxide was separated into slag form, nickel and cobalt remaining as molten metal were obtained in the form of an alloy.

실시예 2Example 2

실시예 2에서는, 선택적 수소 환원을 700℃로 진행했고,In Example 2, selective hydrogen reduction was carried out at 700°C ,

탄소 도가니 내 장입된 알루미나 도가니에서, CaO : SiO2 : MnO = 20 : 50 : 30의 몰비CaO 4.53g 및 SiO2 11.33g flux, 및 수소 환원 분말 40g을 장입하여 용융 및 슬래그 형성을 진행했다. In the alumina crucible charged into the carbon crucible , 4.53 g of CaO, 11.33 g flux of SiO2, and 40 g of hydrogen reduction powder were charged at a molar ratio of CaO:SiO2:MnO = 20:50:30 to proceed with melting and slag formation.

상기와 같이 제조 방법이 일부 상이한 것을 제외하고는 실시예 1의 제조 방법과 동일하게 진행했다.The manufacturing method was carried out in the same manner as in Example 1, except that the manufacturing method was slightly different as described above.

실시예 3Example 3

실시예 3에서는, 선택적 수소 환원을 900℃로 진행했고,In Example 3, selective hydrogen reduction was performed at 900°C ,

탄소 도가니 내 장입된 알루미나 도가니에서, CaO : SiO2 : MnO = 20 : 50 : 30의 몰비CaO 4.53g 및 SiO2 11.33g flux, 및 수소 환원 분말 40g을 장입하여 용융 및 슬래그 형성을 진행했다. In the alumina crucible charged into the carbon crucible , 4.53 g of CaO, 11.33 g flux of SiO2, and 40 g of hydrogen reduction powder were charged at a molar ratio of CaO:SiO2:MnO = 20:50:30 to proceed with melting and slag formation.

상기와 같이 제조 방법이 일부 상이한 것을 제외하고는 실시예 1의 제조 방법과 동일하게 진행했다.The manufacturing method was carried out in the same manner as in Example 1, except that the manufacturing method was slightly different as described above.

실시예 4Example 4

실시예 4에서는, 선택적 수소 환원을 900℃로 진행했고,In Example 4, selective hydrogen reduction was performed at 900°C ,

탄소 도가니 내 장입된 알루미나 도가니에서, 첨가제 투입 없이 수소 환원 분말 100g을 장입하여 용융 및 슬래그 형성을 진행했다.In an alumina crucible charged into a carbon crucible , 100 g of hydrogen reduction powder was charged without adding additives, and melting and slag formation were carried out.

상기와 같이 제조 방법이 일부 상이한 것을 제외하고는 실시예 1의 제조 방법과 동일하게 진행했다.The manufacturing method was carried out in the same manner as in Example 1, except that the manufacturing method was slightly different as described above.

실시예 5Example 5

실시예 5에서는, 선택적 수소 환원을 900℃로 진행했고,In Example 5, selective hydrogen reduction was performed at 900°C ,

탄소 도가니 내 장입된 알루미나 도가니에서, CaO : SiO2 : MnO = 40 : 40 : 20의 몰비CaO 13.6g 및 SiO2 13.6g flux, 및 수소 환원 분말 40g을 장입하여 용융 및 슬래그 형성을 진행했다. In the alumina crucible charged into the carbon crucible , 13.6 g of CaO and 13.6 g of SiO2 flux, and 40 g of hydrogen reduction powder were charged at a molar ratio of CaO:SiO2:MnO = 40:40:20 to proceed with melting and slag formation.

상기와 같이 제조 방법이 일부 상이한 것을 제외하고는 실시예 1의 제조 방법과 동일하게 진행했다.The manufacturing method was carried out in the same manner as in Example 1, except that the manufacturing method was slightly different as described above.

실시예 6Example 6

실시예 6에서는, 선택적 수소 환원을 900℃로 진행했고,In Example 6, selective hydrogen reduction was carried out at 900°C ,

탄소 도가니 내 장입된 알루미나 도가니에서, CaO : SiO2 : MnO = 20 : 50 : 30의 몰비CaO 4.53g 및 SiO2 11.33g flux, 및 수소 환원 분말 40g을 장입하여 용융 및 슬래그 형성을 진행했다. In the alumina crucible charged into the carbon crucible , 4.53 g of CaO, 11.33 g flux of SiO2, and 40 g of hydrogen reduction powder were charged at a molar ratio of CaO:SiO2:MnO = 20:50:30 to proceed with melting and slag formation.

상기와 같이 제조 방법이 일부 상이한 것을 제외하고는 실시예 1의 제조 방법과 동일하게 진행했다.The manufacturing method was carried out in the same manner as in Example 1, except that the manufacturing method was slightly different as described above.

실시예 7Example 7

실시예 7에서는, 선택적 수소 환원을 900℃로 진행했고,In Example 7, selective hydrogen reduction was performed at 900°C ,

탄소 도가니에서, CaO : SiO2 : MnO = 40 : 40 : 20의 몰비CaO 13.6g 및SiO2 13.6g flux, 및 수소 환원 분말 40g을 장입하여 용융 및 슬래그 형성을 진행했다.In a carbon crucible , 13.6 g of CaO and 13.6 g of SiO 2 flux, and 40 g of hydrogen reduction powder were charged at a molar ratio of CaO:SiO2:MnO = 40:40:20 to proceed with melting and slag formation.

상기와 같이 제조 방법이 일부 상이한 것을 제외하고는 실시예 1의 제조 방법과 동일하게 진행했다.The manufacturing method was carried out in the same manner as in Example 1, except that the manufacturing method was slightly different as described above.

<평가예><Evaluation example>

도 2는 선택적 수소환원의 온도에 따른, 실시예 1 내지 3의 선택적 수소환원된 고체 상의 XRD 그래프이다. Figure 2 is an XRD graph of the selective hydrogen reduction solid phase of Examples 1 to 3, depending on the temperature of selective hydrogen reduction.

본 발명의 선택적 수소환원의 온도를 설정하기 위하여, 본 발명의 실시예의선택적 수소환원을 500℃, 700℃, 및 900℃에서, 수침출된 고체 상 10g에 대해 진행하였다. 상기 도 2를 참조하면, 500℃로 선택적 수소환원된 실시예 1은 코발트가 수소환원되지 않은 채 여전히 산화 코발트 형태로 존재하는 것이 나타난다. 하지만, 700℃로 선택적 수소환원된 실시예 2부터 니켈 및 코발트의 단독 금속 상이 보이기 시작하여, 실시예 2부터 니켈 및 코발트의 선택적 수소환원이 일어나 성분 분리가 가능해짐을 알 수 있다.To set the temperature of the selective hydrogen reduction of the present invention, the selective hydrogen reduction of the examples of the present invention was performed on 10 g of water-leached solid phase at 500°C, 700°C, and 900°C. Referring to FIG. 2, in Example 1, which was selectively hydrogen-reduced at 500°C, cobalt was not hydrogen-reduced and still existed in the form of cobalt oxide. However, from Example 2, which was selectively hydrogen-reduced at 700°C, individual metal phases of nickel and cobalt began to appear, and it can be seen that selective hydrogen reduction of nickel and cobalt occurred from Example 2, making component separation possible.

또한, 하기의 표 1은 900℃에서 선택적 수소환원된 실시예 3의 고체 상의 XRF 값을 보여준다. 하기 표 1을 참조하면, 니켈 및 코발트 단독 상이 고체 상 혼합물 내 각각 58.49% 및 22.97% 존재하는 것을 확인할 수 있다.Additionally, Table 1 below shows the XRF value of the solid phase of Example 3 selectively hydrogenated at 900°C. Referring to Table 1 below, it can be seen that nickel and cobalt single phases exist in 58.49% and 22.97%, respectively, in the solid phase mixture.

도 3은 니켈 및 코발트 합금의 2원계 상태도 그래프이다.Figure 3 is a binary phase diagram graph of nickel and cobalt alloy.

상태도 그래프는 상의 구조에 영향을 주는 온도, 압력, 조성 등의 외부 요소에 따른 평형 상을 나타낸 그래프이다. 상기 상태도 그래프를 통해 임의의 온도, 압력, 조성에서 물질이 어떤 상으로 존재하는지, 어떤 상의 혼합으로 존재하는지 알 수 있다. 상기 상태도 그래프를 이용하여, 본 발명의 용융 및 슬래그 형성 단계에서의 성분 분리를 위한 용융 온도를 설정할 수 있다.A phase diagram graph is a graph showing the equilibrium phase according to external factors such as temperature, pressure, and composition that affect the structure of the phase. Through the phase diagram graph, it is possible to know what phase the material exists in and what kind of mixture of phases it exists in at any temperature, pressure, and composition. Using the phase diagram graph, the melting temperature for component separation in the melting and slag forming steps of the present invention can be set.

2성분계 상태도 그래프는 두 개의 성분으로 이루어진 계의 상태도를 말한다. 상태도 그래프에 원하는 조성과 온도에 해당하는 점을 찍으면, 그 점이 속해있는 영역을 통해 어떤 상이 존재하는지 알 수 있다. 상기 도 3의 니켈 및 코발트의 2원계 상태도를 참조하면, 1500℃ 이상의 전 조성 영역에서 상기 니켈 및 코발트는 액체 상임을 알 수 있다. A two-component system state diagram graph refers to a state diagram of a system consisting of two components. If you put a point on the phase diagram graph that corresponds to the desired composition and temperature, you can find out what phase exists through the area the point belongs to. Referring to the binary phase diagram of nickel and cobalt in FIG. 3, it can be seen that the nickel and cobalt are in a liquid phase in the total composition range above 1500°C.

도 4는 망간 산화물, 산화칼슘, 및 이산화규소의 1600℃에서의 3원계 상태도 그래프이다.Figure 4 is a ternary phase diagram graph of manganese oxide, calcium oxide, and silicon dioxide at 1600°C.

상기 도 4는, 용융 및 슬래그 형성에서 슬래그 유동성 파악에 일반적으로 사용되는 산화칼슘(CaO)-이산화규소(SiO2)-망간 산화물(MnO) 상 다이어그램이다. 상기 도 4를 참조로 하면, 상기 다이어그램 그래프 상의 슬래그-액체 영역에 3성분계가 들어와 있을 경우, 산화칼슘(CaO)-이산화규소(SiO2)-망간 산화물(MnO) 혼합물은, 이상적인 용융 슬래그를 형성한다. FIG. 4 is a phase diagram of calcium oxide (CaO)-silicon dioxide (SiO2)-manganese oxide (MnO), which is generally used to determine slag fluidity in melting and slag formation. Referring to FIG. 4, when a three-component system is contained in the slag-liquid region on the diagram graph, the calcium oxide (CaO)-silicon dioxide (SiO2)-manganese oxide (MnO) mixture forms an ideal molten slag. .

도 5는 혼합 비율이 40 : 40 : 20인 산화칼슘(CaO) : 이산화규소(SiO2) : 망간 산화물(MnO) 혼합물의 1600℃에서의 3원계 상태도 그래프이다. 상기 도 5는, 3원계 상태도의 일례로써, 상기 도 5를 참조하면, 산화칼슘(CaO) : 이산화규소(SiO2) : 망간 산화물(MnO) 혼합물의 혼합 비율이 40 : 40 : 20일 경우, 슬래그-액체 영역에 3성분계가 들어와 있음을 확인할 수 있다. Figure 5 is a ternary phase diagram graph at 1600°C of a calcium oxide (CaO):silicon dioxide (SiO2):manganese oxide (MnO) mixture with a mixing ratio of 40:40:20. Figure 5 is an example of a ternary phase diagram. Referring to Figure 5, when the mixing ratio of calcium oxide (CaO): silicon dioxide (SiO2): manganese oxide (MnO) mixture is 40:40:20, slag -It can be confirmed that a three-component system is in the liquid area.

도 5는 플럭스 없이 알루미나 도가니에서 제2 단계의 용융 및 슬래그 형성 과정을 진행한 실시예 4의 사진이다.Figure 5 is a photograph of Example 4 in which the second stage melting and slag formation process was performed in an alumina crucible without flux.

상기 도 5의 용융을 수행하기 위하여, 탄소 도가니 내에 알루미나 도가니를 장입하였고, 플럭스와 같은 첨가제 없이 상기 선택적 수소환원된 고체 상 분말 100g을 장입하였다. 이후, 상기 고체 상 분말을 불활성 분위기인 아르곤 가스 하에서 1600℃로 용융시켰다. 이때, 상기 고체 상은 용융되었고 비중 차이에 의해 슬래그 층이 분리되었으나, 상기 도 5의 사진에서 보여지는 금속 성분(합금) 내 망간이 존재하는 것으로 확인되었다. 따라서, 상기 망간을 완전히 성분 분리하기 위하여 알루미나 도가니의 사용 외에도, 플럭스와 같은 추가적인 첨가제를 투입할 필요성이 있는 것으로 나타났다. 하기의 표 2는 상기 합금 및 슬래그의 XRF 성분 분석 결과를 보여준다. 하기의 표 2를 참조하면, 합금 내 망간이 10.42% 존재하여, 니켈-코발트와 망간 간의 성분 분리가 완벽히 이루어지지 않는 것을 알 수 있다. To perform the melting of FIG. 5, an alumina crucible was charged into a carbon crucible, and 100 g of the selectively hydrogen-reduced solid powder was charged without additives such as flux. Thereafter, the solid powder was melted at 1600°C under argon gas, an inert atmosphere. At this time, the solid phase was melted and the slag layer was separated due to the difference in specific gravity, but it was confirmed that manganese was present in the metal component (alloy) shown in the photograph of FIG. 5. Therefore, in order to completely separate the manganese, it was found that, in addition to using an alumina crucible, it was necessary to add additional additives such as flux. Table 2 below shows the results of XRF component analysis of the alloy and slag. Referring to Table 2 below, it can be seen that 10.42% of manganese is present in the alloy, so the components between nickel-cobalt and manganese are not completely separated.

반면, 도 6은 플럭스와 함께 탄소 도가니에서 제2 단계의 용융 및 슬래그 형성 과정을 진행한 실시예 7의 사진이다.On the other hand, Figure 6 is a photograph of Example 7 in which the second stage melting and slag formation process was performed in a carbon crucible with flux.

상기 도 6의 용융을 수행하기 위하여, 탄소 도가니 내에 플럭스로써 산화칼슘(CaO) 18g, 플럭스로써 이산화규소(SiO2) 18g, 및 상기 선택적 수소환원된 고체 상 분말 50g을 장입하였다. 이후, 상기 플럭스 및 상기 고체 상 분말을 불활성 분위기인 아르곤 가스 하에서 1600℃로 용융시켰다. 이때, 상기 고체 상은 용융되었으나, 슬래그와 금속(합금) 성분이 분리되지 않은 것을 상기 도 6에서 확인할 수 있다. 따라서, 상기 금속 성분의 성분 분리를 위해서는, 알루미나 도가니를 사용할 필요가 있는 것으로 생각될 수 있다. 하기의 표 3은 상기 합금의 XRF 성분 분석 결과를 보여준다. 하기의 표 3를 참조하면, 합금 내 니켈, 코발트, 및 망간이 전부 존재하여, 상기 용융을 통하여 합금의 성분 분리가 일어나지 않았음을 나타낸다.To perform the melting of FIG. 6, 18 g of calcium oxide (CaO) as a flux, 18 g of silicon dioxide (SiO2) as a flux, and 50 g of the selectively hydrogen-reduced solid phase powder were charged into a carbon crucible. Thereafter, the flux and the solid phase powder were melted at 1600° C. under argon gas, an inert atmosphere. At this time, it can be seen in FIG. 6 that the solid phase was melted, but the slag and the metal (alloy) component were not separated. Therefore, in order to separate the metal components, it may be considered necessary to use an alumina crucible. Table 3 below shows the results of XRF component analysis of the alloy. Referring to Table 3 below, nickel, cobalt, and manganese are all present in the alloy, indicating that separation of alloy components did not occur through melting.

도 7는 플럭스와 함께 알루미나 도가니에서 제2 단계의 용융 및 슬래그 형성 과정을 진행한 실시예 5의 사진이다.Figure 7 is a photograph of Example 5 in which the second stage melting and slag formation process was performed in an alumina crucible with flux.

상기 도 7의 용융을 수행하기 위하여, 탄소 도가니 내에 알루미나 도가니를 장입하였고, 플럭스로써 산화칼슘(CaO) 13.6g, 플럭스로써 이산화규소(SiO2) 13.6g, 및 상기 선택적 수소환원된 고체 상 분말 40g을 장입하였다. 이후, 상기 고체 상 분말을 불활성 분위기인 아르곤 가스 하에서 1600℃로 용융시켰다. 이때, 상기 고체 상은 용융되었고 비중 차이에 의해 슬래그 층이 분리된 것을 확인할 수 있다. 하기의 표 4는 상기 슬래그의 XRF 성분 분석 결과를 보여준다. 하기의 표 4를 참조하면, 슬래그 내 산화망간이 4.86% 존재하고 금속 내 망간이 15.23% 존재하여, 망간 성분이 슬래그를 통해 산화망간의 형태로 완벽히 제거되지 않는 것을 알 수 있다. In order to perform the melting of FIG. 7, an alumina crucible was charged into a carbon crucible, and 13.6 g of calcium oxide (CaO) as a flux, 13.6 g of silicon dioxide (SiO2) as a flux, and 40 g of the selectively hydrogen-reduced solid phase powder were added. Charged. Thereafter, the solid powder was melted at 1600°C under argon gas, an inert atmosphere. At this time, it can be confirmed that the solid phase was melted and the slag layer was separated due to the difference in specific gravity. Table 4 below shows the results of XRF component analysis of the slag. Referring to Table 4 below, it can be seen that 4.86% of manganese oxide exists in the slag and 15.23% of manganese in the metal exists, so the manganese component is not completely removed in the form of manganese oxide through the slag.

도 8은 플럭스와 함께 알루미나 도가니에서 제2 단계의 용융 및 슬래그 형성 과정을 진행한 실시예 6의 사진이다.Figure 8 is a photograph of Example 6 in which the second stage melting and slag formation process was performed in an alumina crucible with flux.

상기 도 8의 용융을 수행하기 위하여, 탄소 도가니 내에 알루미나 도가니를 장입하였고, 플럭스로써 산화칼슘(CaO) 4.53g, 플럭스로써 이산화규소(SiO2) 11.33g, 및 상기 선택적 수소환원된 고체 상 분말 40g을 장입하였다. 이후, 상기 고체 상 분말을 불활성 분위기인 아르곤 가스 하에서 1600℃로 용융시켰다. 이때, 상기 고체 상은 용융되었고 비중 차이에 의해 슬래그 층이 분리된 것을 확인할 수 있다.In order to perform the melting of FIG. 8, an alumina crucible was charged into a carbon crucible, and 4.53 g of calcium oxide (CaO) as a flux, 11.33 g of silicon dioxide (SiO2) as a flux, and 40 g of the selectively hydrogen-reduced solid phase powder were added. Charged. Thereafter, the solid powder was melted at 1600°C under argon gas, an inert atmosphere. At this time, it can be confirmed that the solid phase was melted and the slag layer was separated due to the difference in specific gravity.

도 9는 실시예 6을 통해 제조된 슬래그의 XRD 그래프이고, 하기의 표 5는 상기 슬래그 및 금속의 XRF 성분 분석 결과를 보여준다. 도 9 및 표 5를 참조하면, 망간의 분포에 있어서, 슬래그 내 산화망간이 17.99% 존재하고 금속 내 망간 또는 산화망간이 존재하지 않으며, 니켈 및 코발트의 분포에 있어서, 슬래그 내 니켈 또는 코발트가 산화물의 형태로 극소수 존재하고 금속 내 니켈이 74.54% 및 코발트가 23.98% 존재하여, 금속 내 존재하는 니켈-코발트가 98.52%인 것을 확인할 수 있다. 이는, 실시예 6의 방법을 통해 제조된 슬래그를 통해 산화망간이 완벽히 제거되며, 실시예 6의 방법을 통해 제조된 금속이 98.52% 가량 니켈-코발트 합금만으로 이루어져있다는 것을 알 수 있다. Figure 9 is an XRD graph of the slag prepared through Example 6, and Table 5 below shows the XRF component analysis results of the slag and metal. Referring to Figure 9 and Table 5, in the distribution of manganese, 17.99% of manganese oxide is present in the slag and there is no manganese or manganese oxide in the metal, and in the distribution of nickel and cobalt, nickel or cobalt in the slag is oxide. It exists in very small quantities in the form of 74.54% nickel and 23.98% cobalt in the metal, so it can be confirmed that nickel-cobalt present in the metal is 98.52%. This shows that manganese oxide is completely removed through the slag produced through the method of Example 6, and that the metal produced through the method of Example 6 consists of only nickel-cobalt alloy about 98.52%.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명했지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art can make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following patent claims. You will understand that it is possible.

Claims (12)

폐전지 NCM 전지를 CO, CO2 또는 CO 및 CO2의 혼합 가스 분위기 열처리하는 제1단계;
상기 열처리 이후 수득물을 수침출하는 제2단계;
상기 제2단계 이후 수득된 고형물을 수소 분위기에서 열처리하는 제3단계; 및
상기 제3단계 후의 수득물을 탄소도가니 내 알루미나 도가니가 장입된 도가니 내 불활성 분위기에서 용융 후 슬래그 제거하는 제4단계를 포함하고,
상기 제3단계의 열처리 온도는 700 내지 900℃ 이고,
상기 제4단계의 도가니의 용융 온도는 1500℃ 내지 1700℃ 이며,
상기 용융 시 CaO 및 SiO2를 추가로 포함하고, 상기 슬래그는 MnO를 포함하고,
상기 CaO는 상기 MnO 대비 0.5 내지 2배의 몰비로 투입되고, 상기 SiO2는 상기 MnO 대비 1 내지 2배의 몰비로 투입되는,
폐 NCM으로부터 니켈-코발트의 합금을 회수하는 방법.
A first step of heat treating the waste NCM battery in a CO, CO 2 or mixed gas atmosphere of CO and CO 2 ;
A second step of water leaching the product obtained after the heat treatment;
A third step of heat treating the solid material obtained after the second step in a hydrogen atmosphere; and
A fourth step of removing the slag after melting the product obtained after the third step in an inert atmosphere in a crucible charged with an alumina crucible in a carbon crucible,
The heat treatment temperature in the third step is 700 to 900°C,
The melting temperature of the crucible in the fourth step is 1500°C to 1700°C,
When melted, CaO and SiO 2 are additionally included, and the slag includes MnO,
The CaO is added at a molar ratio of 0.5 to 2 times that of the MnO, and the SiO 2 is added at a molar ratio of 1 to 2 times that of the MnO.
Method for recovering nickel-cobalt alloy from waste NCM.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1단계는,
불활성 분위기에서 700 내지 900℃로 승온하는 단계; 및
CO, CO2 또는 CO 및 CO2의 혼합 가스 분위기에서 일정 시간 유지하는 단계를 포함하는,
폐 NCM으로부터 니켈-코발트의 합금을 회수하는 방법.
According to paragraph 1,
The first step is,
Raising the temperature to 700 to 900° C. in an inert atmosphere; and
Including the step of maintaining for a certain period of time in a gas atmosphere of CO, CO 2 or a mixed gas of CO and CO 2 .
Method for recovering nickel-cobalt alloy from waste NCM.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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