KR102664172B1 - Recovery of nickel and cobalt from Li-ion batteries or their waste - Google Patents

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Abstract

본 발명은 건식야금 분야에 속하며, Li-이온 배터리 또는 이의 폐기물로부터의 Ni 및 Co의 회수에 적합한 방법 및 슬래그를 개시한다. 슬래그 조성은 하기에 따라 규정된다: 10% < MnO < 40%; (CaO + 1.5*Li2O) / Al2O3 > 0.3; CaO + 0.8*MnO + 0.8*Li2O < 60%; (CaO + 2*Li2O + 0.4*MnO) / SiO2 ≥ 2.0; Li2O ≥ 1%; 및 Al2O3 + SiO2 + CaO + Li2O + MnO + FeO + MgO > 85%. 이러한 조성은 마그네시아 보유 내화 벽돌로 라이닝된 노의 부식을 제한하거나 회피하는 데 특히 적합화된다.The present invention belongs to the field of pyrometallurgy and discloses a process and slag suitable for the recovery of Ni and Co from Li-ion batteries or their waste. The slag composition is defined as follows: 10% < MnO <40%; (CaO + 1.5*Li 2 O) / Al 2 O 3 >0.3; CaO + 0.8*MnO + 0.8*Li 2 O <60%; (CaO + 2*Li 2 O + 0.4*MnO) / SiO 2 ≥ 2.0; Li 2 O ≥ 1%; and Al 2 O 3 + SiO 2 + CaO + Li 2 O + MnO + FeO + MgO > 85%. This composition is particularly suited to limit or avoid corrosion in furnaces lined with magnesia-retaining refractory bricks.

Description

Li-이온 배터리 또는 이의 폐기물로부터의 니켈 및 코발트의 회수Recovery of nickel and cobalt from Li-ion batteries or their waste

본 발명은 건식야금(pyrometallurgy) 분야에 속하며, 보다 구체적으로 Li-이온 배터리 또는 이의 폐기물로부터의 Ni 및 Co의 회수에 관한 것이다.The present invention belongs to the field of pyrometallurgy, and more specifically relates to the recovery of Ni and Co from Li-ion batteries or their waste.

최근 수년 동안 전기 자동차는 자동차 차량의 CO2 발자국을 점차적으로 감소시키고, 도시의 공기 오염을 제한하도록 설계된, 특히 유럽 및 중국에서의 새로운 법안에 의해 주도된 전례없는 성장을 나타냈다. 이러한 성장은 향후 수십년 동안 지속될 것으로 예상된다. 전기 자동차의 채택은 전기 에너지를 저장하는 데 사용되는 배터리의 성능에 크게 좌우된다. 비용을 계속 통제하면서 최고 에너지 밀도를 얻기 위해서는 현재 충전식 Li-이온 배터리가 바람직한 선택이다. 이들 배터리 중 다수는 전이 금속 Ni, Mn 및 Co에 기반한 캐소드를 함유하여 NMC 배터리로도 알려져 있다. 전기 이동수단 시장의 성장에 따라 이들 금속에 대한 수요가 또한 상당히 증가할 것으로 예상된다.In recent years, electric vehicles have seen unprecedented growth, driven by new legislation, particularly in Europe and China, designed to gradually reduce the CO2 footprint of automotive vehicles and limit urban air pollution. This growth is expected to continue over the next several decades. The adoption of electric vehicles largely depends on the performance of the batteries used to store electrical energy. To achieve the highest energy density while keeping costs under control, rechargeable Li-ion batteries are currently the preferred choice. Many of these batteries contain cathodes based on the transition metals Ni, Mn, and Co, making them also known as NMC batteries. As the electric mobility market grows, the demand for these metals is also expected to increase significantly.

Ni 및 Co에 대한 수요는 심지어 전세계 생산력을 뛰어 넘을 수 있다. Co는 오늘날 Ni 및 Cu 산업의 부산물로서만 유일하게 생성되기 때문에 특히 중요하다. 니켈 시장은 코발트 시장보다 상당히 더 크다. Ni의 대부분은 Ni의 순도가 덜 중요한 스테인리스 강의 제조에 주어진다. 그러나, 고순도 Ni 및 고순도 Co 금속 또는 화합물은 이미 공급이 부족하다. 따라서, 상기를 고려할 때, 사용후 Li-이온 배터리 또는 이의 폐기물로부터 Ni 및 Co를 회수하는 것은 매력적인 제안이다.Demand for Ni and Co may even exceed global production capacity. Co is particularly important because it is produced today solely as a by-product of the Ni and Cu industries. The nickel market is significantly larger than the cobalt market. Most of Ni is given to the manufacture of stainless steel, where the purity of Ni is less important. However, high purity Ni and high purity Co metals or compounds are already in short supply. Therefore, considering the above, recovering Ni and Co from spent Li-ion batteries or their waste is an attractive proposition.

Li-이온 배터리를 재활용하기 위한 몇 가지 공지된 공정이 있는데, 여기서 니켈, 코발트 및 구리 산화물이 금속으로 환원되고 고온에서 합금 상에 농축된다.There are several known processes for recycling Li-ion batteries, in which nickel, cobalt and copper oxides are reduced to metals and concentrated into an alloy phase at high temperatures.

WO2017121663에는 산업 공정에서 제조된 슬래그 조성물이 기재되어 있으며, 슬래그 점도 및 코발트 회수에 대한 MnO의 효과가 개시되어 있다. 이에 기재된 주요 슬래그 성분으로는 CaO, SiO2, Al2O3, Li2O, 및 MnO(MnO2)가 있다. 개시되어 있는 이들 슬래그 중의 MnO-농도는 매우 낮고, 상기의 교시는 슬래그에서 MnO의 양을 제한하는 것이다. Elwert 등의 문헌[Phase composition of high lithium slags from the recycling of lithium-ion batteries: World of Metallurgy-ERZMETALL, vol. 65 (3), 2012, pp. 163-171]에서는 리튬 회수를 위한 가능한 슬래그 선광 공정을 개발하는 것을 목적으로 3개의 상이한 슬래그의 상 조성이 분석된다. Hu 등의 문헌[Recovery of Co, Ni, Mn, and Li from Li-ion batteries by smelting reduction-Part II: A pilot-scale demonstration: Journal of Power Sources, vol. 483, 2021, 229089]에는 1500℃ 초과의 온도에서 플럭싱제(fluxing agent)로 제련함으로써 슬래그, 및 Ni, Co, 및 Mn을 함유하는 합금을 생성시키는, Li-이온 배터리를 위한 재활용 공정이 제안되어 있다. Elwert와 Hu 둘 모두는 10% 훨씬 미만의 MnO-농도를 갖는 슬래그 조성물을 기술하고 있다.WO2017121663 describes a slag composition prepared in an industrial process and discloses the effect of MnO on slag viscosity and cobalt recovery. The main slag components described herein include CaO, SiO 2 , Al 2 O 3 , Li 2 O, and MnO (MnO 2 ). The MnO-concentration in these disclosed slags is very low and the above teaching limits the amount of MnO in the slag. Elwert et al. [Phase composition of high lithium slags from the recycling of lithium-ion batteries: World of Metallurgy-ERZMETALL, vol. 65 (3), 2012, pp. 163-171, the phase composition of three different slags is analyzed with the aim of developing a possible slag beneficiation process for lithium recovery. Hu et al. [Recovery of Co, Ni, Mn, and Li from Li-ion batteries by smelting reduction-Part II: A pilot-scale demonstration: Journal of Power Sources, vol. 483, 2021, 229089] proposes a recycling process for Li-ion batteries, producing slag and alloys containing Ni, Co, and Mn by smelting with a fluxing agent at temperatures exceeding 1500°C. there is. Elwert and Hu both describe slag compositions with MnO-concentrations well below 10%.

다른 한편으로, 최근의 Li-이온 배터리는 전형적으로 증가하는 양의 Mn을 함유한다. 이는 소량의 Mn을 갖는 슬래그의 형성을 더욱 어렵게 하는데, 그 이유는 더 많은 Mn을 슬래그 상 대신에 합금 상으로 보내기 위해서 다량의 플럭싱제의 첨가에 의해 Mn을 희석하거나 이러한 공정에 더 강한 환원 조건을 선택하는 것이 필요하기 때문이다. 전자의 옵션은 플럭싱제의 소비 및 수득된 슬래그의 총량을 증가시키고, 반면에 후자의 옵션은 더 높은 Mn 함량으로 인해 합금의 임의의 후속 습식야금 처리의 복잡성을 증가시킨다. 이 둘 모두의 옵션은 공정의 경제성을 상당히 저하시킬 것이다.On the other hand, modern Li-ion batteries typically contain increasing amounts of Mn. This makes the formation of slag with small amounts of Mn more difficult, either by diluting the Mn by adding large amounts of fluxing agent to direct more Mn to the alloy phase instead of the slag phase, or by requiring stronger reducing conditions for this process. Because you need to make a choice. The former option increases the consumption of fluxing agent and the total amount of slag obtained, while the latter option increases the complexity of any subsequent hydrometallurgical treatment of the alloy due to the higher Mn content. Both of these options will significantly reduce the economics of the process.

WO12140951, WO13080266 및 WO20013294에는 슬래그 상에 Fe 및 P와 같은 불순물을 고정시키면서 Ni 및 Co를 회수하기 위해 Li-이온 배터리 스크랩을 재활용하는 공정이 제안되어 있다. Mn은 수득된 슬래그의 주성분일 수 있는 것으로 언급되어 있기는 하지만, 이러한 슬래그에서 MnO의 바람직한 범위 또는 특정 효과는 명시되어 있지 않다. 또한, WO12140951 및 WO13080266은 저용융 Fe-농후 슬래그에 초점을 두고 있다.WO12140951, WO13080266 and WO20013294 propose a process for recycling Li-ion battery scrap to recover Ni and Co while fixing impurities such as Fe and P in the slag. Although it is stated that Mn may be a major component of the slag obtained, the preferred extent or specific effect of MnO in such slag is not specified. Additionally, WO12140951 and WO13080266 focus on low melting Fe-enriched slag.

Vest 등의 문헌[Friedrich Slag design for lithium recovery from spent batteries: Int. Work. Met. Interact., vol. 9 (93), 2010, pp. 93-106.]에는 MnO-농후 슬래그의 이론적 계산이 기재되어 있다. Wittkowski 등의 문헌[Speciation of Manganese in a Synthetic Recycling Slag Relevant for Lithium Recycling from Lithium-Ion Batteries: Metals, vol. 11(2), 2021, p. 188.]에는 Li-이온 배터리의 재활용으로부터의 다양한 Li 함유 슬래그의 상 조성이 분석되어 있다.Vest et al. [Friedrich Slag design for lithium recovery from spent batteries: Int. Work. Met. Interact., vol. 9 (93), 2010, pp. 93-106.] describes theoretical calculations of MnO-rich slag. Wittkowski et al. [Speciation of Manganese in a Synthetic Recycling Slag Relevant for Lithium Recycling from Lithium-Ion Batteries: Metals, vol. 11(2), 2021, p. 188.], the phase composition of various Li-containing slags from recycling of Li-ion batteries is analyzed.

CN103924088 및 EP3269832에는 Co 및/또는 Ni 함유 합금 및 SiO2 및 MnO-농후 슬래그를 제조하는, 폐 배터리를 위한 배쓰 제련 공정이 기재되어 있다.CN103924088 and EP3269832 describe a bath smelting process for spent batteries, producing Co and/or Ni containing alloys and SiO 2 and MnO-enriched slag.

본 발명에 따른 슬래그 조성물은 상기 선행 기술 중 어느 것에도 교시되어 있지 않다. The slag composition according to the invention is not taught in any of the above prior arts.

심지어 비교적 더 높은 함량의 MnO를 갖는 슬래그가 개시되어 있는 경우에도, 상기 문헌 모두에는 본 공정 조건이 교시되어 있지 않으며, 노의 벽에 대한 생성된 MnO-농후 슬래그 조성물의 임의의 효과가 언급되어 있지 않다. 전형적으로, 노 벽은 내화 벽돌로 제조된다. 이러한 벽돌의 주요 조성은 마그네시아이다. 예로는 마그네시아 벽돌(일반적으로 90% 초과의 마그네시아 함량) 또는 마그네시아-크롬 벽돌(일반적으로 50% 내지 70%의 마그네시아 함량)이 있다. 벽으로부터의 마그네시아는 노의 작동 동안 일반적인 슬래그에 의해 용해되어, 시간이 지남에 따라 노 벽의 마모 또는 부식을 초래하는 것으로 관찰되었다. 이는 노를 정지시켜야 하고 내화 벽돌을 정기적으로 교체해야 하기 때문에 높은 유지 비용을 초래하는 반복적인 문제이다. 이러한 문제는, 예를 들어, 1550℃ 초과와 같은 더 높은 작동 온도에서 훨씬 더 두드러진다.Even where slags with relatively higher contents of MnO are disclosed, none of the above documents teach the process conditions and do not mention any effect of the resulting MnO-rich slag composition on the walls of the furnace. not. Typically, furnace walls are made of refractory bricks. The main composition of these bricks is magnesia. Examples are magnesia bricks (typically greater than 90% magnesia content) or magnesia-chrome bricks (typically 50% to 70% magnesia content). It has been observed that magnesia from the walls is dissolved by common slag during furnace operation, resulting in wear or corrosion of the furnace walls over time. This is a recurring problem that results in high maintenance costs because the furnace has to be shut down and the refractory bricks have to be replaced regularly. This problem becomes even more pronounced at higher operating temperatures, for example above 1550°C.

따라서, 본 발명의 목적은 마그네시아 보유 내화 벽돌이 작동 동안 덜 부식되는 방식으로 구성된 전용 MnO- 및 Li2O-농후 슬래그 시스템으로 작동시킴으로써, 동시에 노의 수명을 증가시키는, Li-이온 배터리로부터의 Ni 및 Co의 회수 방법을 제공하는 것이다. 달성된 마모 감소는 본 방법의 전체 경제성에 크게 기여한다.Therefore, the object of the present invention is to reduce Ni from Li-ion batteries by operating them with a dedicated MnO- and Li 2 O-enriched slag system constructed in such a way that the magnesia-retaining refractory bricks are less prone to corrosion during operation, thereby simultaneously increasing the life of the furnace. and a method for recovering Co. The achieved wear reduction contributes significantly to the overall economics of the method.

제1 실시양태에 따르면, Li-이온 배터리 또는 이의 폐기물로부터의 Ni 및 Co의 회수 방법은According to a first embodiment, a method for recovery of Ni and Co from Li-ion batteries or their waste

- 마그네시아 보유 내화 벽돌로 라이닝된 노를 제공하는 단계;- providing a furnace lined with magnesia-retaining refractory bricks;

- 슬래그 형성제 및 Li-이온 배터리 또는 이의 폐기물을 포함하는 장입물을 제공하는 단계; 및- providing a charge comprising a slag former and Li-ion batteries or waste thereof; and

- 장입물을 환원 조건에서 제련하고, 이에 의해 Ni 및 Co의 대부분을 함유하는 합금, 및 슬래그를 수득하는 단계를 포함하고,- smelting the charge under reducing conditions, thereby obtaining an alloy containing most of Ni and Co, and slag,

슬래그는 하기에 따른 질량 기준 퍼센트 조성을 갖는 것을 특징으로 한다:The slag is characterized by having a percent composition by mass according to:

10% < MnO < 40%;10% < MnO < 40%;

(CaO + 1.5*Li2O) / Al2O3 > 0.3;(CaO + 1.5*Li 2 O) / Al 2 O 3 >0.3;

CaO + 0.8*MnO + 0.8*Li2O < 60%;CaO + 0.8*MnO + 0.8*Li 2 O <60%;

(CaO + 2*Li2O + 0.4*MnO) / SiO2 ≥ 2.0; (CaO + 2*Li 2 O + 0.4*MnO) / SiO 2 ≥ 2.0;

Li2O ≥ 1%; 및Li 2 O ≥ 1%; and

Al2O3 + SiO2 + CaO + Li2O + MnO + FeO + MgO > 85%.Al 2 O 3 + SiO 2 + CaO + Li 2 O + MnO + FeO + MgO > 85%.

"슬래그 형성제"는, 예를 들어, CaO, Al2O3 및 SiO2 중 하나 이상을 의미한다. 당업자에게 잘 알려져 있는 다른 슬래그 형성제들이 또한 존재할 수 있다. 슬래그 형성 화합물은 그대로 첨가될 수 있거나, 이들은 알루미늄과 같이 장입물에 존재하는 쉽게 산화된 금속으로부터 동일 반응계에서 수득될 수 있다.“Slag former” means, for example, one or more of CaO, Al 2 O 3 and SiO 2 . Other slag formers well known to those skilled in the art may also be present. The slag forming compounds can be added as is, or they can be obtained in situ from readily oxidized metals present in the charge, such as aluminum.

"Li-이온 배터리 또는 이의 폐기물"은, 예를 들어, 새 Li-이온 배터리 또는 폐 Li-이온 배터리, 사용후 배터리 또는 수명이 다한 배터리, 생산 또는 배터리 스크랩, 전극 재료, 또는 소위 "블랙 매스(black mass)"를 포함하여 파쇄 또는 분류 후와 같이 전처리된 배터리 재료를 의미한다. 그러나, 이들은 여전히 상당량의 Co 및/또는 Ni를 함유할 것이다.“Li-ion batteries or waste thereof” means, for example, new or spent Li-ion batteries, used or end-of-life batteries, production or battery scrap, electrode materials, or so-called “black mass ( refers to battery materials that have been preprocessed, such as after crushing or sorting, including "black mass". However, they will still contain significant amounts of Co and/or Ni.

원소 또는 화합물의 "대부분"은 장입물에 존재하는 상응하는 양의 50 중량% 초과를 의미한다. 이는 또한 55%, 60%, 65%, 70% 및 75%로부터 선택된 하한 값, 및 80%, 85%, 90%, 95% 및 100%로부터 선택된 상한 값을 갖는 범위를 포함할 수 있다. “Majority” of an element or compound means more than 50% by weight of the corresponding amount present in the charge. It may also include ranges with lower values selected from 55%, 60%, 65%, 70%, and 75%, and upper values selected from 80%, 85%, 90%, 95%, and 100%.

슬래그 중의 MnO의 함량은 본 발명에서 중요한 역할을 한다. 슬래그 중의 최소 대략 10%는 노를 라이닝하는 마그네시아 보유 내화 벽돌로부터 슬래그로의 MgO 용해를 억제하는 효과를 보기 위해 필요하다. 적어도 15%의 MnO를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 슬래그의 부피 감소가 MgO 용해의 억제를 돕기 때문에, 비교적 적은 양의 슬래그 중에서 10% 내지 40%의 MnO 함량을 갖는 것이 유리하다. 다른 한편으로, 더 많은 플럭싱제의 첨가에 의해, 슬래그의 전체 부피가 증가하고 MnO의 백분율이 희석되면, 내화 벽돌로부터 용해되는 MgO의 양이 증가하고, 따라서 부정적인 영향을 미친다.The content of MnO in the slag plays an important role in the present invention. A minimum of approximately 10% of the slag is required to be effective in inhibiting MgO dissolution into the slag from the magnesia-retaining refractory bricks lining the furnace. It is desirable to have at least 15% MnO. Additionally, it is advantageous to have a MnO content of 10% to 40% in relatively small amounts of slag, because the volume reduction of the slag helps suppress MgO dissolution. On the other hand, by adding more fluxing agent, the total volume of slag increases and the percentage of MnO is diluted, the amount of MgO dissolved from the refractory brick increases, and thus has a negative effect.

또한, 슬래그 중의 MnO의 상한은 슬래그의 용융 온도를 충분히 낮게 유지하는 데 도움이 되기 때문에 중요하다. 본 발명에 따른 최대 40%의 MnO를 함유하는 슬래그는 1500℃ 미만에서 용융된다. MnO 양과 조합하여 마그네시아 보유 내화 벽돌로부터 MgO 용해를 억제하기 위해서는 더 낮은 온도가 유리하다. 40%를 초과하는 MnO의 양은, 특히 슬래그가 또한 50% 초과와 같이 비교적 더 많은 양의 Al2O3를 함유할 때, 1500℃ 초과로 슬래그의 융점을 증가시키므로, 덜 바람직하다.Additionally, the upper limit of MnO in the slag is important because it helps keep the melting temperature of the slag sufficiently low. The slag containing up to 40% MnO according to the invention melts below 1500°C. In combination with the MnO amount, lower temperatures are advantageous to suppress MgO dissolution from magnesia-retaining refractory bricks. Amounts of MnO exceeding 40% are less desirable, as they increase the melting point of the slag above 1500° C., especially when the slag also contains relatively higher amounts of Al 2 O 3 , such as greater than 50%.

추가의 실시양태에 따르면, 슬래그 중의 MnO의 함량은 30% 이하이다.According to a further embodiment, the content of MnO in the slag is not more than 30%.

슬래그 중의 Mn에 대한 백분율은 "MnO의 퍼센트"로 표준화된다. 그러나, Mn의 정확한 산화 상태는 이러한 슬래그에서 항상 잘 정의되는 것이 아니다. 따라서, 산화 망간("MnO")은 또한 단일-종 MnO와 이산화망간 MnO2의 혼합물을 나타낼 수 있다. 그러나, 단일-종 MnO의 공유는, 특히 선택된 환원 반응 조건 하에서, 95%를 훨씬 초과하는 것으로 추정된다.The percentage of Mn in the slag is normalized as “percent of MnO”. However, the exact oxidation state of Mn is not always well defined in these slags. Accordingly, manganese oxide (“MnO”) can also refer to a mixture of the single-species MnO and manganese dioxide MnO 2 . However, the sharing of single-species MnO is estimated to be well in excess of 95%, especially under selected reduction reaction conditions.

MnO는 전형적으로 녹색인 반면, MnO2는 전형적으로 흑색-갈색 또는 흑색-회색을 가져서 이의 명칭은 "망간 블랙(manganese black)"이 된다. 단일-종의 함량이 충분히 높은 경우에만 녹색이 보일 것이다.MnO is typically green, while MnO 2 is typically black-brown or black-gray, giving it its name “manganese black.” Green will only be visible if the single-species content is sufficiently high.

추가의 실시양태에 따르면, 슬래그 중의 CaO의 함량은 15% 이상, 바람직하게는 20% 이상이다.According to a further embodiment, the content of CaO in the slag is at least 15%, preferably at least 20%.

추가의 실시양태에 따르면, 슬래그 중의 CaO의 함량은 50% 이하, 바람직하게는 30% 이하이다.According to a further embodiment, the content of CaO in the slag is not more than 50%, preferably not more than 30%.

최소 15%의 CaO는 슬래그를 충분히 유동적으로 유지하고 용이하게 취급될 수 있도록 보장한다. Ca와 Mg가 슬래그에서 유사한 화학적 부위를 공유함에 따라, CaO가 마그네시아 보유 내화 벽돌로부터 Mg의 용해를 억제하는 데 도움이 되므로, 20% 이상과 같은 더 많은 양의 CaO가 바람직하다. 30% CaO의 바람직한 상한으로 공정을 작동시키는 것은 슬래그의 용융 온도를 1600℃ 미만으로 유지하는 데 도움이 된다. 50% 초과와 같은 너무 많은 양의 CaO는 슬래그의 용융 온도를 상당히 증가시키므로 피해야 한다.A minimum of 15% CaO ensures that the slag remains sufficiently fluid and can be easily handled. As Ca and Mg share similar chemical sites in the slag, higher amounts of CaO, such as 20% or more, are preferred because CaO helps inhibit dissolution of Mg from the magnesia-retaining refractory brick. Operating the process at the preferred upper limit of 30% CaO helps maintain the melt temperature of the slag below 1600°C. Too high amounts of CaO, such as more than 50%, should be avoided as they significantly increase the melting temperature of the slag.

추가로, MnO 및 CaO 이외에, Li2O는 또한 마그네시아 보유 내화 벽돌로부터 Mg의 용해를 억제하지만, SiO2의 양의 증가는 부정적인 영향을 미친다는 것이 관찰되었다. 이는 방정식 (CaO + 2*Li2O + 0.4*MnO) / SiO2 ≥ 2.0에서 반영된다. Li-이온 배터리를 재활용할 때, 슬래그 중의 Li2O의 양은 상당할 것으로 예상된다.Additionally, it was observed that, in addition to MnO and CaO, Li 2 O also inhibits the dissolution of Mg from magnesia-retained refractory bricks, but increasing the amount of SiO 2 has a negative effect. This is reflected in the equation (CaO + 2*Li 2 O + 0.4*MnO) / SiO 2 ≥ 2.0. When recycling Li-ion batteries, the amount of Li 2 O in the slag is expected to be significant.

추가의 실시양태에 따르면, 너무 많은 양의 Al2O3가 슬래그의 융점을 증가시키기 때문에, 슬래그 중의 Al2O3의 함량은 < 50%, 바람직하게는 < 40%이다.According to a further embodiment, the content of Al 2 O 3 in the slag is <50%, preferably <40%, since too large amounts of Al 2 O 3 increase the melting point of the slag.

추가의 실시양태에 따르면, 슬래그 중의 Fe의 함량은 25% 이하, 바람직하게는 10% 이하이다.According to a further embodiment, the content of Fe in the slag is not more than 25%, preferably not more than 10%.

추가의 실시양태에 따르면, Al2O3, SiO2, CaO, Li2O, MnO, FeO 및 MgO의 합은 90% 이상, 바람직하게는 95% 이상이다.According to a further embodiment, the sum of Al 2 O 3 , SiO 2 , CaO, Li 2 O, MnO, FeO and MgO is at least 90%, preferably at least 95%.

추가의 실시양태에 따르면, (CaO + 2*Li2O + 0.4*MnO) / (SiO2 + 0.2*Al2O3)는 > 1.5이다.According to a further embodiment, (CaO + 2*Li 2 O + 0.4*MnO) / (SiO 2 + 0.2*Al 2 O 3 ) is > 1.5.

슬래그 조성 및 작동 온도는 본원에 기재된 공정에 대한 중요한 고려사항이다. 본 발명은 노 벽을 보호하는 화합물(예를 들어, MnO, CaO, Li2O)과, 노 벽에 부정적인 영향을 미치지만 불가피하거나(예를 들어, 공급물에서 Al로부터의 Al2O3) 달리 필요한(예를 들어, 슬래그의 융점을 낮추기 위해 필요한 SiO2) 화합물 사이의 균형을 달성한다. 또한, 슬래그 조성 도메인은 슬래그의 적합한 유동성 및 요망되는 작동 온도에서 슬래그의 최소 과열을 가능하게 한다. 온도는 합금의 융점보다 계속 높게 유지하면서 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. Slag composition and operating temperature are important considerations for the processes described herein. The present invention provides compounds that protect the furnace walls (e.g. MnO, CaO, Li 2 O) and compounds that have a negative effect on the furnace walls but are unavoidable (e.g. Al 2 O 3 from Al in the feed). A balance is achieved between compounds otherwise required (e.g. SiO 2 needed to lower the melting point of the slag). Additionally, the slag composition domains enable suitable fluidity of the slag and minimal overheating of the slag at the desired operating temperature. It is desirable for the temperature to be as low as possible while remaining above the melting point of the alloy.

이러한 균형은 제시된 공정 조건뿐만 아니라 슬래그 자체의 조성에도 반영된다.This balance is reflected not only in the proposed process conditions but also in the composition of the slag itself.

추가의 실시양태에 따르면, 장입물의 제련 단계는 야금 장입물의 완전한 용융을 보장하기 위해 적어도 1400℃ 및 슬래그의 액상점(liquidus point)보다 최대 300℃ 높은 온도, 바람직하게는 슬래그의 액상점보다 최대 100℃ 높은 온도에서 수행된다. 하한은 생성된 합금 및 슬래그의 심지어 부분적인 응고를 피하기 위해 바람직하다. 상한은 슬래그의 과열을 피하기 위해 바람직하다. 더 높은 온도는 마그네시아 보유 내화 벽돌로부터 Mg의 용해를 촉진한다. 따라서, 마모 감소뿐만 아니라 에너지 절약을 위해서는 더 낮은 온도가 일반적으로 바람직하다. 슬래그의 과열은 슬래그에 의한 마그네시아 보유 내화 벽돌의 용해에 부정적인 영향을 미친다.According to a further embodiment, the smelting step of the charge is carried out at a temperature of at least 1400° C. and at most 300° C. above the liquidus point of the slag, preferably at most 100° C. above the liquidus point of the slag, to ensure complete melting of the metallurgical charge. It is carried out at a high temperature of ℃. The lower limit is desirable to avoid even partial solidification of the resulting alloy and slag. The upper limit is desirable to avoid overheating of the slag. Higher temperatures promote the dissolution of Mg from magnesia-retaining refractory bricks. Therefore, lower temperatures are generally desirable for energy savings as well as wear reduction. Overheating of the slag has a negative effect on the dissolution of magnesia-retaining refractory bricks by the slag.

슬래그에서 Al2O3에 비한 CaO 및 Li2O의 기재된 비율은 슬래그의 융점을 충분히 낮게, 바람직하게는 1700℃ 미만, 더욱 바람직하게는 1650℃ 미만, 더욱 더 바람직하게는 1600℃ 미만, 가장 바람직하게는 1550℃ 미만으로 유지하는 데 도움이 된다. The stated ratios of CaO and Li 2 O relative to Al 2 O 3 in the slag are such that the melting point of the slag is sufficiently low, preferably below 1700° C., more preferably below 1650° C., even more preferably below 1600° C., most preferably It helps keep the temperature below 1550℃.

마그네시아 보유 내화 벽돌의 수명에 대한 이들의 유익한 효과에도 불구하고, 슬래그 중의 CaO, MnO 및 Li2O의 합된 양을 제한하는 것은 CaO + 0.8*MnO + 0.8*Li2O가 60%를 초과할 때 슬래그의 융점이 너무 높아지기 때문에 동등하게 관련이 있다. Despite their beneficial effect on the life of magnesia-retaining refractory bricks, limiting the combined amounts of CaO, MnO and Li 2 O in the slag when CaO + 0.8*MnO + 0.8*Li 2 O exceeds 60%. It is equally relevant because the melting point of the slag becomes too high.

추가의 실시양태에 따르면, 제련 단계는 하기 추가 단계들을 포함한다:According to a further embodiment, the smelting step comprises the following further steps:

- 슬래그를 샘플링하는 단계;- Sampling the slag;

- 슬래그 샘플을 냉각시키고 이의 색을 평가하는 단계; 및- Cooling the slag sample and evaluating its color; and

- 슬래그 샘플이 녹색인 경우, 제련 단계를 종료하는 단계; 또는- if the slag sample is green, ending the smelting step; or

- 슬래그 샘플이 녹색이 아닌 경우, 더 강한 환원 조건을 달성하기 위해 pO2-수준을 조정한 후 제련 단계를 진행하는 단계.- If the slag sample is not green, adjust the pO 2 -level to achieve stronger reducing conditions and then proceed with the smelting step.

"슬래그 샘플링"은 선택된 조건 하에서 공정이 계속되는 동안, 슬래그의 작은 샘플을 취하고 이의 색을 평가하는 것을 의미한다. “Slag sampling” means taking a small sample of slag and evaluating its color while the process continues under selected conditions.

색의 평가는 시각적으로 용이하게 수행될 수 있다. 슬래그의 화학적 분석과 비교하여, 색 변화를 모니터링하는 것은 슬래그가 특정 최소 백분율의 MnO를 함유한다는 빠르고 효율적인 지표를 제공한다. 하기에 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 녹색의 슬래그는 또한 공급물에 함유된 Co의 대부분이 환원되어 합금으로 보내진다는 것을 지시하는 것이 추가로 관찰되었다. 이론으로 국한되지 않으면서, 실제로, 녹색으로의 색 변화는 MnO2의 MnO로의 환원으로부터뿐만 아니라, 예를 들어, Ni 및 Co의 전형적으로 더 어두운 산화물의 환원으로부터 기인하는 것으로 사료된다.Evaluation of color can be easily performed visually. Compared to chemical analysis of slag, monitoring color change provides a quick and efficient indicator that the slag contains a certain minimum percentage of MnO. As described in more detail below, the green slag was further observed to indicate that most of the Co contained in the feed was reduced and sent to the alloy. Without being bound by theory, in practice it is believed that the color change to green results from the reduction of MnO 2 to MnO, as well as the reduction of typically darker oxides, for example Ni and Co.

시각적 검사는 공정 조건을 조정, 최적화 및/또는 종료해야 하는지 여부를 빠르고 쉽게 알 수 있는 방법으로서, 이는 시간 및 운영 비용을 절약할 수 있다. 따라서, 색 확인은 야금 작업의 진행에 대한 신뢰할 수 있는 지표이다.Visual inspection is a quick and easy way to know whether process conditions need to be adjusted, optimized and/or shut down, which can save time and operating costs. Therefore, color identification is a reliable indicator of the progress of metallurgical operations.

본 명세서에서, "녹색"은 ASTM D1535-14(2018) 표준에 따라 하기 범위의 색조, 명도, 및 채도를 갖는 색으로서 정의된다:As used herein, “green” is defined according to the ASTM D1535-14 (2018) standard as a color with hue, brightness, and saturation in the following ranges:

- 5GY에서 5BG까지의 색조;- Tints from 5GY to 5BG;

- 명도: ≥3; 및- Brightness: ≥3; and

- 채도: ≥3.- Saturation: ≥3.

녹색의 예는 2009년에 Munsell Color에 의해 제작된 "Geological Rock-Color Chart with Genuine Munsell Color Chips"에 제시되어 있다.An example of green is provided in the "Geological Rock-Color Chart with Genuine Munsell Color Chips" produced by Munsell Color in 2009.

작업 조건은 Mn의 대부분을 슬래그로 산화시키고 Co 및 Ni의 대부분을 합금으로 환원시키도록 선택된다. 공정을 가장 경제적으로 만들기 위해 Co 및 Ni의 바람직하게는 >90%, 더욱 바람직하게는 >95%, 가장 바람직하게는 >98%가 합금에 수집된다. 본 공정의 pO2-수준은 이들 유리한 수율에 도달하도록 용이하게 조정된다.Operating conditions are selected to oxidize most of the Mn to slag and reduce most of the Co and Ni to the alloy. To make the process most economical, preferably >90%, more preferably >95% and most preferably >98% of Co and Ni are collected in the alloy. The pO 2 -levels of the present process are easily adjusted to reach these advantageous yields.

추가의 실시양태에 따르면, pO2-수준은 10-7 > pO2 > 10-12, 바람직하게는 pO2 < 10-8, 더욱 바람직하게는 pO2 < 10-8.5, 가장 바람직하게는 pO2 < 10-9로 조정된다.According to a further embodiment, the pO 2 -level is 10 -7 > pO 2 > 10 -12 , preferably pO 2 < 10 -8 , more preferably pO 2 < 10 -8.5 , most preferably pO 2 It is adjusted to < 10 -9 .

따라서, 10-8, 10-8.5 및 10-9의 바람직한 pO2-수준, 뿐만 아니라 10-12의 한계는 10-7의 pO2-수준과 비교하여 더 강한 환원 조건을 나타낸다. Therefore, the preferred pO 2 -levels of 10 -8 , 10 -8.5 and 10 -9 , as well as the limit of 10 -12 , represent stronger reducing conditions compared to the pO 2 -level of 10 -7 .

추가의 실시양태에 따르면, 슬래그의 색은 녹색이다. 환원 조건에서 장입물을 제련하는 동안, 슬래그의 색은 전형적으로 공정이 진행됨에 따라 흑색-회색 또는 흑색-갈색에서 녹색으로 변한다.According to a further embodiment, the color of the slag is green. During smelting of the charge under reducing conditions, the color of the slag typically changes from black-gray or black-brown to green as the process progresses.

추가의 실시양태에 따르면, 노는 전기로이다. 전기로 또는 전기 아크로(electric arc furnace; EAF)를 사용하면 더 높은 작동 온도가 요망되거나 필요한 경우에 더 큰 유연성이 가능하다. 또 다른 이점은 비첨두 전기 가격책정, 또는 지역 풍력 발전소와 같은 친환경 청정 공급원에 의해 생산된 전기로부터 이익을 얻을 수 있다는 것이다.According to a further embodiment, the furnace is an electric furnace. Using an electric furnace or electric arc furnace (EAF) allows greater flexibility when higher operating temperatures are desired or required. Another advantage is that you can benefit from off-peak electricity pricing, or from electricity produced by green, clean sources, such as local wind farms.

추가의 실시양태에 따르면, Li 함유 야금 슬래그는 하기에 따른 질량 기준 퍼센트 조성을 포함한다:According to a further embodiment, the Li-containing metallurgical slag comprises a percent composition by mass according to:

10% < MnO < 40%;10% < MnO < 40%;

(CaO + 1.5*Li2O) / Al2O3 > 0.3;(CaO + 1.5*Li 2 O) / Al 2 O 3 >0.3;

CaO + 0.8*MnO + 0.8*Li2O < 60%;CaO + 0.8*MnO + 0.8*Li 2 O <60%;

(CaO + 2*Li2O + 0.4*MnO) / SiO2 ≥ 2.0; (CaO + 2*Li 2 O + 0.4*MnO) / SiO 2 ≥ 2.0;

Li2O ≥ 1%; 및Li 2 O ≥ 1%; and

Al2O3 + SiO2 + CaO + Li2O + MnO + FeO + MgO > 85%.Al 2 O 3 + SiO 2 + CaO + Li 2 O + MnO + FeO + MgO > 85%.

추가의 실시양태에 따르면, Li 함유 야금 슬래그는 녹색을 갖는다.According to a further embodiment, the Li-containing metallurgical slag has a green color.

추가의 실시양태에 따르면, Li 함유 야금 슬래그 중의 MnO의 함량은 30% 이하이다.According to a further embodiment, the content of MnO in the Li-containing metallurgical slag is not more than 30%.

추가의 실시양태에 따르면, Li 함유 야금 슬래그 중의 CaO의 함량은 15% 이상, 바람직하게는 20% 이상이다.According to a further embodiment, the content of CaO in the Li-containing metallurgical slag is at least 15%, preferably at least 20%.

추가의 실시양태에 따르면, Li 함유 야금 슬래그 중의 CaO의 함량은 50% 이하, 바람직하게는 30% 이하이다.According to a further embodiment, the content of CaO in the Li-containing metallurgical slag is not more than 50%, preferably not more than 30%.

추가의 실시양태에 따르면, Li 함유 야금 슬래그 중의 Al2O3의 함량은 50% 이하, 바람직하게는 40% 이하이다.According to a further embodiment, the content of Al 2 O 3 in the Li-containing metallurgical slag is not more than 50%, preferably not more than 40%.

추가의 실시양태에 따르면, Li 함유 야금 슬래그 중의 Fe의 함량은 25% 이하, 바람직하게는 10% 이하이다. 10% 초과의 FeO를 함유하는, 각각 심지어 20% 초과의 FeO를 함유하는 FeO-농후 슬래그에서, CoO는 또한 비교적 많은 양의 금속성 Fe를 합금 상으로 이동시키지 않고는 금속성 Co로 환원될 수 없다. 이는 생성된 합금의 임의의 습식야금 후속 처리의 비용을 상당히 증가시키므로 덜 바람직하다.According to a further embodiment, the content of Fe in the Li-containing metallurgical slag is not more than 25%, preferably not more than 10%. In FeO-rich slags containing more than 10% FeO, each containing even more than 20% FeO, CoO also cannot be reduced to metallic Co without transferring relatively large amounts of metallic Fe to the alloy phase. This is less desirable as it significantly increases the cost of any hydrometallurgical subsequent processing of the resulting alloy.

추가의 실시양태에 따르면, Li 함유 야금 슬래그는 건식야금 재활용 공정에서 슬래그 형성제로서 사용된다. 수득된 야금 슬래그는 CaO 및 SiO2를 함유하므로, 새로운 작동에서 슬래그 형성제로서 사용될 수 있다.According to a further embodiment, Li-containing metallurgical slag is used as a slag former in a pyrometallurgical recycling process. The metallurgical slag obtained contains CaO and SiO 2 and can therefore be used as a slag former in new operations.

추가의 실시양태에 따르면, Li 함유 야금 슬래그는 제1 실시양태에 따른 공정에서 슬래그 형성제로서 사용되어, 슬래그 형성제를 포함하는 장입물을 제공하는 단계에서 슬래그 형성제를 부분적으로 또는 완전히 대체한다.According to a further embodiment, Li-containing metallurgical slag is used as slag former in the process according to the first embodiment, partially or completely replacing the slag former in the step of providing a charge comprising the slag former. .

새로운 작동에서 생성된 야금 슬래그를 재사용하면 공정의 pO2-수준과 같은 작동 조건을 선택하는 데 있어서 더 큰 유연성이 가능하다. 예를 들어, 더 강한 산화 조건이 사용되어 더 많은 Co 및/또는 Ni를 슬래그로 보낼 때, 이들 유가 금속이 손실되지 않고, 오히려 새로운 작동 사이클에서 재활용될 것이며, 여기서 아마도 더 강한 환원 조건이 사용되어 더 많은 Co 및/또는 Ni를 회수할 것이다. Reusing the metallurgical slag produced in a new operation allows greater flexibility in choosing operating conditions, such as the pO 2 -level of the process. For example, when stronger oxidation conditions are used to send more Co and/or Ni to the slag, these valuable metals will not be lost, but rather will be recycled in a new operating cycle, where perhaps stronger reducing conditions will be used. More Co and/or Ni will be recovered.

이러한 야금 슬래그를 새로운 공정에서 슬래그 형성제로서 또는 동일한 공정을 위한 출발 슬래그로서 재사용할 때, 유입되는 배터리 또는 이의 폐기물은 산화 후에 결국 슬래그에 있을 추가량의 Al, Mn 또는 Li와 같은 화합물을 함유할 수 있다는 것이 고려되어야 한다. 결과적으로, 슬래그 중의 Al2O3, MnO 또는 Li2O의 각각의 양은 증가할 것이다. Li2O의 양이 덜 중요한 것으로 여겨지지만, Al2O3 및 MnO의 양은 용융 온도에 더 직접적인 영향을 미친다. 추가의 실시양태에서, MnO에 대한 바람직한 상한은 새로운 장입물로부터 유입되는 새로운 MnO에 대한 여분을 허용하기 위해 30%이다.When such metallurgical slag is reused as a slag former in a new process or as a starting slag for the same process, the incoming battery or its waste may contain additional amounts of compounds such as Al, Mn or Li that will eventually be in the slag after oxidation. It must be taken into account that it is possible. As a result, the respective amounts of Al 2 O 3 , MnO or Li 2 O in the slag will increase. Although the amount of Li 2 O is considered less important, the amount of Al 2 O 3 and MnO has a more direct effect on the melting temperature. In a further embodiment, the preferred upper limit for MnO is 30% to allow room for fresh MnO coming from fresh charge.

유입되는 새로운 화합물로 인해, 본 발명에 따른 야금 슬래그는 제한된 횟수의 사이클 동안만 재사용될 수 있다. 슬래그를 계속 재사용할 수 있는지 여부를 결정하기 위해, 슬래그 조성을 분석하고 본원에 기재된 조성 규격과 비교해야 한다. 야금 슬래그의 적어도 일부를 빼내고 재사용하여 이를 새로운 슬래그 형성제로 희석하는 것은 실행 가능한 장기 옵션으로서 이용 가능하다.Due to the new compounds introduced, the metallurgical slag according to the invention can only be reused for a limited number of cycles. To determine whether the slag can be continuously reused, the slag composition should be analyzed and compared to the composition specifications described herein. Removing and reusing at least a portion of the metallurgical slag and diluting it with new slag formers is available as a viable long-term option.

상기 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 슬래그는 내화 벽돌로부터 MgO의 용해를 상당히 억제하는 것을 돕는다. 그러나, 이를 완전히 피할 수는 없다. 이는 슬래그를 재활용할 때 또 다른 긍정적인 부작용을 야기한다. 내화 벽돌로부터의 용존 MgO(이전 제련 공정 중에 약간의 MgO 용해에 의해 초래됨)는 슬래그에 축적되고, 이는 MnO, Li2O 및 CaO와 조합하여 내화 벽돌의 추가 부식을 억제하는 경향이 있다. 이는 수득된 슬래그의 재사용을 특히 매력적으로 만든다.As described above, the slag according to the invention helps to significantly inhibit the dissolution of MgO from the refractory brick. However, this cannot be completely avoided. This creates another positive side effect when recycling slag. Dissolved MgO from the refractory bricks (resulting from some MgO dissolution during the previous smelting process) accumulates in the slag, which, in combination with MnO, Li 2 O and CaO, tends to inhibit further corrosion of the refractory bricks. This makes the reuse of the obtained slag particularly attractive.

하기 실시예는 본 발명의 실시양태를 추가로 예시하기 위해 제공된 것이다.The following examples are provided to further illustrate embodiments of the invention.

실시예 1 Example 1

여러 상이한 슬래그 조성을 사용할 때, 마그네시아 보유 도가니의 벽으로부터 MgO의 용해를 측정하였다. Li-이온 배터리 또는 이의 폐기물에 함유된 다양한 화합물, 각각 이들의 산화물, 예컨대, FeO, Al2O3, Li2O 및 MnO를 1 L MgO 도가니에서 플럭싱제로서 CaO 및 SiO2와 함께 용융시켰다. 첨가된 산화물의 총 중량은 1000 g이었다. FeO, Al2O3, Li2O, 및 MnO의 비율을 기존의 Li-이온 배터리의 전형적인 조성을 나타내도록 선택하였다.The dissolution of MgO from the walls of magnesia-containing crucibles was measured when using several different slag compositions. Various compounds contained in Li-ion batteries or their waste, respectively their oxides such as FeO, Al 2 O 3 , Li 2 O and MnO were melted together with CaO and SiO 2 as fluxing agents in a 1 L MgO crucible. The total weight of added oxide was 1000 g. The ratios of FeO, Al 2 O 3 , Li 2 O, and MnO were selected to represent the typical composition of a conventional Li-ion battery.

도가니를 유도로를 사용하여 150℃/시간의 가열 속도로 점진적으로 가열하였다. 슬래그가 완전히 용융되었을 때, 도가니를 1400℃, 1450℃, 또는 1500℃의 온도에서 유지하였다. 2시간의 가열 후, 용융된 슬래그를 도가니에서 꺼내고, 물로 켄칭하였다. 표 1은 이 실시예에서 수득된 슬래그의 조성을 나열한 것이다. The crucible was gradually heated using an induction furnace at a heating rate of 150° C./hour. When the slag was completely melted, the crucible was maintained at a temperature of 1400°C, 1450°C, or 1500°C. After 2 hours of heating, the molten slag was removed from the crucible and quenched with water. Table 1 lists the composition of the slag obtained in this example.

표 1: 수득된 슬래그의 조성Table 1: Composition of the obtained slag

상기 슬래그 중의 MgO 농도는 비교적 낮았다(0.9% 내지 3.9%). 이 결과는 도가니의 벽으로부터 MgO의 용해가 선택된 조건 하에서 잘 억제되었음을 가리킨다.The MgO concentration in the slag was relatively low (0.9% to 3.9%). These results indicate that the dissolution of MgO from the wall of the crucible was well inhibited under the selected conditions.

실험은 Ni, Co 또는 Cu를 갖지 않는 슬래그 조성으로 수행되었는데, 그 이유는 최종 슬래그에서 이들 금속의 양이 전형적으로 매우 낮아서 본질적으로 슬래그 특성에 영향을 미치지 않기 때문이다.Experiments were performed with slag compositions without Ni, Co or Cu because the amounts of these metals in the final slag are typically very low and have essentially no effect on slag properties.

비교예 2 Comparative Example 2

상이한 슬래그 조성을 사용할 때, 마그네시아 보유 도가니의 벽으로부터 MgO의 용해를 측정하였다. Li-이온 배터리 또는 이의 폐기물에 함유된 다양한 화합물, 각각 이들의 산화물, 예컨대, FeO, Al2O3, 및 MnO를 1 L MgO 도가니에서 플럭싱제로서 CaO 및 SiO2와 함께 용융시켰다. 첨가된 산화물의 총 중량은 1000 g이었다. The dissolution of MgO from the walls of magnesia-containing crucibles was measured when using different slag compositions. Various compounds contained in Li-ion batteries or their waste, respectively their oxides such as FeO, Al 2 O 3 , and MnO, were melted together with CaO and SiO 2 as fluxing agents in a 1 L MgO crucible. The total weight of added oxide was 1000 g.

도가니를 유도로를 사용하여 150℃/시간의 가열 속도로 점진적으로 가열하였다. 슬래그가 완전히 용융되었을 때, 도가니를 1400℃ 또는 1450℃의 온도에서 2시간 동안 유지하였다. 2시간의 가열 후, 용융된 슬래그를 도가니에서 꺼내고, 물로 켄칭하였다. 표 2는 이 실시예에서 수득된 슬래그의 조성을 나열한 것이다.The crucible was gradually heated using an induction furnace at a heating rate of 150° C./hour. When the slag was completely melted, the crucible was kept at a temperature of 1400°C or 1450°C for 2 hours. After 2 hours of heating, the molten slag was removed from the crucible and quenched with water. Table 2 lists the composition of the slag obtained in this example.

표 2: 수득된 슬래그의 조성Table 2: Composition of the obtained slag

실시예 1에서 사용된 슬래그 1-1 내지 1-3과 비교하여, 여기서 슬래그 중의 SiO2 함량은 더 높게 조정된 반면, CaO, Li2O 및/또는 MnO의 함량은 더 낮게 조정되었다. 상기 슬래그에서 측정된 MgO 농도는 비교적 높았는데(8.7% 내지 13.2%), 이는 도가니로부터 비교적 많은 양의 MgO가 각각의 슬래그에 용해되었음을 가리킨다.Compared to the slags 1-1 to 1-3 used in Example 1, here the SiO 2 content in the slag was adjusted higher, while the content of CaO, Li 2 O and/or MnO was adjusted lower. The MgO concentration measured in the slag was relatively high (8.7% to 13.2%), indicating that a relatively large amount of MgO from the crucible was dissolved into each slag.

실시예 1에서와 같이, 슬래그는 Ni, Co 또는 Cu를 함유하지 않았다.As in Example 1, the slag contained no Ni, Co or Cu.

실시예 1 및 실시예 2의 고찰 Consideration of Example 1 and Example 2

실시예 1에서 수득된 슬래그는 비교예 2에서 수득된 슬래그보다 적은 MgO를 함유하였다. 실시예 1의 조건 하에서는 MgO 도가니의 가시적인 열화가 관찰되지 않은 반면, 실시예 2의 조건 하에서는 도가니 벽이 더 얇아졌다. 실시예 1에서 입증된 바와 같이, 비교적 낮은 농도의 SiO2 및 비교적 높은 합한 농도의 Li2O, CaO, 및/또는 MnO를 함유하는 슬래그는 MgO 용해를 억제하였다. 보다 구체적으로, 비율 (CaO + 2Li2O + 0.4MnO) / SiO2가 2 이상인 경우, 슬래그로의 MgO 용해가 효율적으로 억제되었다.The slag obtained in Example 1 contained less MgO than the slag obtained in Comparative Example 2. While no visible deterioration of the MgO crucible was observed under the conditions of Example 1, the crucible walls became thinner under the conditions of Example 2. As demonstrated in Example 1, slag containing relatively low concentrations of SiO 2 and relatively high combined concentrations of Li 2 O, CaO, and/or MnO inhibited MgO dissolution. More specifically, when the ratio (CaO + 2Li 2 O + 0.4MnO) / SiO 2 was 2 or more, MgO dissolution into slag was efficiently suppressed.

실시예 3 Example 3

500 kg의 사용후 충전식 Li-이온 배터리를, 200 mm 크롬-마그네시아 내화 벽돌로 새로 라이닝된 1 m 직경의 노에 공급하였다. 80 kg의 석회석 및 20 kg의 모래를 Li-이온 배터리와 함께 첨가하였다. 1450℃ 내지 1500℃의 배쓰 온도를 유지하였고, 이는 슬래그와 합금 둘 모두를 용이한 탭핑 및 취급을 위해 충분히 유동적으로 유지시키에 적합하였다. 침지된 O2 주입을 사용하여 배터리에서 Al 및 C의 산화에 의해 열을 공급하였다. 주입 속도를 강한 환원 조건, 즉, 10-9의 pO2를 보장하도록 선택하였다. 노에서의 열 손실을 보상하기 위해 천연 가스를 첨가하였다. 1시간의 가열 후, 생성된 합금 및 슬래그를 탭핑에 의해 분리하였다. 표 3은 공정의 투입 및 생산 상의 분석을 보여준다. 500 kg of spent rechargeable Li-ion batteries were fed into a 1 m diameter furnace newly lined with 200 mm chrome-magnesia refractory bricks. 80 kg of limestone and 20 kg of sand were added along with the Li-ion battery. The bath temperature was maintained between 1450°C and 1500°C, which was adequate to keep both slag and alloy sufficiently fluid for easy tapping and handling. Heat was supplied by oxidation of Al and C in the battery using immersed O 2 injection. The injection rate was chosen to ensure strong reducing conditions, i.e. a pO 2 of 10 -9 . Natural gas was added to compensate for heat loss in the furnace. After heating for 1 hour, the resulting alloy and slag were separated by tapping. Table 3 shows the input and production analysis of the process.

표 3: 공정의 투입 및 생산 상Table 3: Process input and output phases

배터리를 가공하는 동안, 마그네시아 보유 내화 벽돌의 가시적인 열화는 관찰되지 않았다. 수득된 슬래그 중의 MgO의 농도는 낮은 것으로 여겨지는 내화 벽돌로부터의 MgO의 2.3 kg 손실과 동등하게 단지 1.2%였다. 비율 (CaO + 2Li2O + 0.4MnO) / SiO2는 4.3이었다. 따라서, 이러한 슬래그는 노 벽의 마모를 효율적으로 억제하였다.During battery processing, no visible deterioration of the magnesia-retaining refractory bricks was observed. The concentration of MgO in the obtained slag was only 1.2%, equivalent to a loss of 2.3 kg of MgO from the refractory bricks, which is considered low. The ratio (CaO + 2Li 2 O + 0.4MnO) / SiO 2 was 4.3. Therefore, this slag effectively suppressed wear of the furnace wall.

비교예 4 Comparative Example 4

500 kg의 사용후 충전식 Li-이온 배터리를, 200 mm 크롬-마그네시아 내화 벽돌로 새로 라이닝된 1 m 직경의 노에 공급하였다. 50 kg의 석회석 및 50 kg의 모래를 Li-이온 배터리와 함께 첨가하였다. 1450℃ 내지 1500℃의 배쓰 온도를 유지하였고, 이는 슬래그와 합금 둘 모두를 용이한 탭핑 및 취급을 위해 충분히 유동적으로 유지시키에 적합하였다. 침지된 O2 주입을 사용하여 배터리에서 Al 및 C의 산화에 의해 열을 공급하였다. 주입 속도를 강한 환원 조건, 즉, 10-9의 pO2를 보장하도록 선택하였다. 노에서의 열 손실을 보상하기 위해 천연 가스를 첨가하였다. 1시간의 가열 후, 생성된 합금 및 슬래그를 탭핑에 의해 분리하였다. 표 4는 공정의 투입 및 생산 상의 분석을 보여준다.500 kg of spent rechargeable Li-ion batteries were fed into a 1 m diameter furnace newly lined with 200 mm chrome-magnesia refractory bricks. 50 kg of limestone and 50 kg of sand were added along with the Li-ion battery. The bath temperature was maintained between 1450°C and 1500°C, which was adequate to keep both slag and alloy sufficiently fluid for easy tapping and handling. Heat was supplied by oxidation of Al and C in the battery using immersed O 2 injection. The injection rate was chosen to ensure strong reducing conditions, i.e. a pO 2 of 10 -9 . Natural gas was added to compensate for heat loss in the furnace. After heating for 1 hour, the resulting alloy and slag were separated by tapping. Table 4 shows the input and production analysis of the process.

표 4: 공정의 투입 및 생산 상Table 4: Process input and output phases

수득된 슬래그 중의 MgO의 농도는 내화 벽돌로부터의 MgO의 19.8 kg 손실과 동등하게 9.0%였으며, 이에 따라 노 벽의 상당한 마모가 있었다.The concentration of MgO in the obtained slag was 9.0%, equivalent to a loss of 19.8 kg of MgO from the refractory bricks, resulting in significant wear of the furnace walls.

비율 (CaO + 2Li2O + 0.4MnO) / SiO2는 1.7이었다.The ratio (CaO + 2Li 2 O + 0.4MnO) / SiO 2 was 1.7.

실시예 5 Example 5

500 kg의 사용후 충전식 Li-이온 배터리를, 200 mm 크롬-마그네시아 내화 벽돌로 새로 라이닝된 1 m 직경의 노에 공급하였다. 50 kg의 석회석 및 50 kg의 모래를 Li-이온 배터리와 함께 첨가하였다. 1450℃ 내지 1500℃의 배쓰 온도를 유지하였고, 이는 슬래그와 합금 둘 모두를 용이한 탭핑 및 취급을 위해 충분히 유동적으로 유지시키에 적합하였다. 침지된 O2 주입을 사용하여 배터리에서 Al 및 C의 산화에 의해 열을 공급하였다. 주입 속도를 강한 환원 조건, 즉, 10-9의 pO2를 보장하도록 선택하였다. 노에서의 열 손실을 보상하기 위해 천연 가스를 첨가하였다. 1시간의 가열 후, 생성된 합금 및 슬래그를 탭핑에 의해 분리하였다. 표 5는 공정의 투입 및 생산 상의 분석을 보여준다. 500 kg of spent rechargeable Li-ion batteries were fed into a 1 m diameter furnace newly lined with 200 mm chrome-magnesia refractory bricks. 50 kg of limestone and 50 kg of sand were added along with the Li-ion battery. The bath temperature was maintained between 1450°C and 1500°C, which was adequate to keep both slag and alloy sufficiently fluid for easy tapping and handling. Heat was supplied by oxidation of Al and C in the battery using immersed O 2 injection. The injection rate was chosen to ensure strong reducing conditions, i.e. a pO 2 of 10 -9 . Natural gas was added to compensate for heat loss in the furnace. After heating for 1 hour, the resulting alloy and slag were separated by tapping. Table 5 shows the input and production analysis of the process.

표 5: 공정의 투입 및 생산 상Table 5: Process input and output phases

수득된 슬래그 중의 MgO의 농도는 내화 벽돌로부터의 MgO의 7.4 kg 손실과 동등하게 2.8%였다. 비율 (CaO + 2Li2O + 0.4MnO) / SiO2는 2.8이었다.The concentration of MgO in the obtained slag was 2.8%, equivalent to a loss of 7.4 kg of MgO from the refractory brick. The ratio (CaO + 2Li 2 O + 0.4MnO) / SiO 2 was 2.8.

실시예 3, 실시예 4, 실시예 5의 고찰 Consideration of Example 3, Example 4, and Example 5

실시예 3 및 비교예 4에서, 석회석 및 모래의 비율을 상이하게 하되 동일한 양 및 조성의 배터리를 노에 공급하였다. 생성된 슬래그 3은 슬래그 4보다 더 높은 농도의 CaO 및 더 낮은 농도의 SiO2를 함유하였다.In Example 3 and Comparative Example 4, batteries of the same amount and composition were supplied to the furnace with different proportions of limestone and sand. The resulting slag 3 contained a higher concentration of CaO and a lower concentration of SiO 2 than slag 4.

비율 (CaO + 2Li2O + 0.4MnO) / SiO2는 각각 슬래그 3에서 4.3이고 슬래그 4에서 1.7이었다. 단지 2.3 kg의 MgO가 슬래그 3에 용해된 반면, 유의하게 더 많은 양의 19.8 kg의 MgO가 슬래그 4에 용해되었다.The ratio (CaO + 2Li 2 O + 0.4MnO) / SiO 2 was 4.3 in slag 3 and 1.7 in slag 4, respectively. Only 2.3 kg of MgO was dissolved in slag 3, while a significantly higher amount of 19.8 kg of MgO was dissolved in slag 4.

실시예 5에서, 비교예 4에서와 동일한 비율의 석회석 및 모래를 유지하면서 더 높은 농도의 Mn 및 Li를 갖는 배터리를 노에 공급하였다. 생성된 슬래그 5는 슬래그 4보다 더 높은 농도의 MnO 및 Li2O를 함유하였다.In Example 5, a battery was supplied to the furnace with higher concentrations of Mn and Li while maintaining the same proportions of limestone and sand as in Comparative Example 4. The resulting slag 5 contained higher concentrations of MnO and Li 2 O than slag 4.

슬래그 5에서, 비율 (CaO + 2Li2O + 0.4MnO) / SiO2는 2.8인 반면, 7.4 kg의 MgO가 용해되었다. 따라서, 이 실시예는 다른 모든 반응 조건이 동일하게 유지되면서 조합한 MnO 및 Li2O의 유리한 효과를 입증한다.In slag 5, 7.4 kg of MgO was dissolved, while the ratio (CaO + 2Li 2 O + 0.4MnO) / SiO 2 was 2.8. Therefore, this example demonstrates the beneficial effect of MnO and Li 2 O in combination while all other reaction conditions remain the same.

실시예 3 및 실시예 5에서 입증된 바와 같이, 더 낮은 농도의 SiO2 및 더 높은 합한 농도의 Li2O, CaO, 및 MnO를 함유하는 슬래그는 MgO 용해를 억제하는 데 더 적합하다.As demonstrated in Examples 3 and 5, slags containing lower concentrations of SiO 2 and higher combined concentrations of Li 2 O, CaO, and MnO are better suited to inhibit MgO dissolution.

실시예 6 Example 6

500 kg의 사용후 충전식 Li-이온 배터리를, 200 mm 크롬-마그네시아 내화 벽돌로 새로 라이닝된 1 m 직경의 노에 공급하였다. 실시예 3에서의 189 kg의 슬래그를 Li-이온 배터리와 함께 첨가하였다. 1450℃ 내지 1500℃의 배쓰 온도를 유지하였고, 이는 슬래그와 합금 둘 모두를 용이한 탭핑 및 취급을 위해 충분히 유동적으로 유지시키에 적합하였다. 침지된 O2 주입을 사용하여 배터리에서 Al 및 C의 산화에 의해 열을 공급하였다. 주입 속도를 강한 환원 조건, 즉, 10-9의 pO2를 보장하도록 선택하였다. 노에서의 열 손실을 보상하기 위해 천연 가스를 첨가하였다. 1시간의 가열 후, 생성된 합금 및 슬래그를 탭핑에 의해 분리하였다. 표 6은 공정의 투입 및 생산 상의 분석을 보여준다. 500 kg of spent rechargeable Li-ion batteries were fed into a 1 m diameter furnace newly lined with 200 mm chrome-magnesia refractory bricks. 189 kg of slag from Example 3 was added along with the Li-ion battery. The bath temperature was maintained between 1450°C and 1500°C, which was adequate to keep both slag and alloy sufficiently fluid for easy tapping and handling. Heat was supplied by oxidation of Al and C in the battery using immersed O 2 injection. The injection rate was chosen to ensure strong reducing conditions, i.e. a pO 2 of 10 -9 . Natural gas was added to compensate for heat loss in the furnace. After heating for 1 hour, the resulting alloy and slag were separated by tapping. Table 6 shows the input and production analysis of the process.

표 6: 공정의 투입 및 생산 상Table 6: Process input and output phases

배터리를 가공하는 동안, 마그네시아 보유 내화 벽돌의 가시적인 열화는 관찰되지 않았다. 생성된 슬래그 중의 MgO의 농도는 내화 벽돌로부터의 MgO의 1.4 kg 손실과 동등하게 단지 1.2%였으며, 이는 실시예 3에서보다 훨씬 더 작은 분해이다. 비율 (CaO + 2Li2O + 0.4MnO) / SiO2는 6.8이었다. 따라서, 이 슬래그는 마그네시아 보유 내화 벽돌로 제조된 노 벽의 마모를 효과적으로 억제하였다. During battery processing, no visible deterioration of the magnesia-retaining refractory bricks was observed. The concentration of MgO in the resulting slag was only 1.2%, equivalent to a loss of 1.4 kg of MgO from the refractory brick, which is a much smaller decomposition than in Example 3. The ratio (CaO + 2Li 2 O + 0.4MnO) / SiO 2 was 6.8. Therefore, this slag effectively suppressed wear of the furnace walls made of magnesia-containing refractory bricks.

일반적인 결론general conclusion

본 발명에 따른 야금 슬래그는 노의 마그네시아 보유 내화 벽돌의 분해를 최소화하면서 Li-이온 배터리 또는 이의 폐기물로부터 Ni 및 Co와 같은 유가 금속을 회수하는 데 적합하다.The metallurgical slag according to the invention is suitable for recovering valuable metals such as Ni and Co from Li-ion batteries or their waste while minimizing the decomposition of the magnesia-retaining refractory bricks of the furnace.

Claims (20)

Li-이온 배터리 또는 이의 폐기물로부터의 Ni 및 Co의 회수 방법으로서,
- 마그네시아 보유 내화 벽돌로 라이닝된 노를 제공하는 단계;
- 슬래그 형성제 및 Li-이온 배터리 또는 이의 폐기물을 포함하는 장입물을 제공하는 단계; 및
- 장입물을 환원 조건에서 제련하고, 이에 의해 Ni 및 Co의 대부분을 함유하는 합금, 및 슬래그를 수득하는 단계
를 포함하고, 슬래그는 하기에 따른 중량 기준 퍼센트 조성을 갖는 것을 특징으로 하는, Li-이온 배터리 또는 이의 폐기물로부터의 Ni 및 Co의 회수 방법:
10% < MnO < 40%;
(CaO + 1.5*Li2O) / Al2O3 > 0.3;
CaO + 0.8*MnO + 0.8*Li2O < 60%;
(CaO + 2*Li2O + 0.4*MnO) / SiO2 ≥ 2.0;
Li2O ≥ 1%; 및
Al2O3 + SiO2 + CaO + Li2O + MnO + FeO + MgO > 85%.
A method for recovering Ni and Co from Li-ion batteries or their waste, comprising:
- providing a furnace lined with magnesia-retaining refractory bricks;
- providing a charge comprising a slag former and Li-ion batteries or waste thereof; and
- smelting the charge under reducing conditions, thereby obtaining an alloy containing most of Ni and Co, and slag
A method for recovery of Ni and Co from Li-ion batteries or waste thereof, characterized in that the slag has a percent composition by weight according to:
10% < MnO <40%;
(CaO + 1.5*Li 2 O) / Al 2 O 3 >0.3;
CaO + 0.8*MnO + 0.8*Li 2 O <60%;
(CaO + 2*Li 2 O + 0.4*MnO) / SiO 2 ≥ 2.0;
Li 2 O ≥ 1%; and
Al 2 O 3 + SiO 2 + CaO + Li 2 O + MnO + FeO + MgO > 85%.
제1항에 있어서, 슬래그 중의 MnO의 함량은 10% 초과 및 30% 이하인 방법.The method according to claim 1, wherein the content of MnO in the slag is greater than 10% and less than or equal to 30%. 제1항에 있어서, 슬래그 중의 CaO의 함량은 15% 이상 및 50% 이하인 방법.The method according to claim 1, wherein the content of CaO in the slag is 15% or more and 50% or less. 제1항에 있어서, 슬래그 중의 Al2O3의 함량은 50% 이하인 방법.The method according to claim 1, wherein the content of Al 2 O 3 in the slag is 50% or less. 제1항에 있어서, 슬래그 중의 Fe의 함량은 25% 이하인 방법.The method according to claim 1, wherein the Fe content in the slag is 25% or less. 제1항에 있어서, Al2O3, SiO2, CaO, Li2O, MnO, FeO 및 MgO의 합은 90% 이상인 방법.The method of claim 1, wherein the sum of Al 2 O 3 , SiO 2 , CaO, Li 2 O, MnO, FeO and MgO is 90% or more. 제1항에 있어서, (CaO + 2*Li2O + 0.4*MnO)/(SiO2 + 0.2*Al2O3)은 > 1.5인 방법.The method of claim 1, wherein (CaO + 2*Li 2 O + 0.4*MnO)/(SiO 2 + 0.2*Al 2 O 3 ) is > 1.5. 제1항에 있어서, 장입물의 제련 단계는 적어도 1400℃ 및 슬래그의 액상점(liquidus point)보다 최대 300℃ 높은 온도에서 수행되어 과열을 피하는 것인 방법.The process according to claim 1, wherein the step of smelting the charge is carried out at a temperature of at least 1400° C. and at most 300° C. above the liquidus point of the slag to avoid overheating. 제1항에 있어서, 제련 단계는 하기의 추가 단계를 포함하는 것인 방법:
- 슬래그를 샘플링하는 단계;
- 슬래그 샘플을 냉각시키고 이의 색을 평가하는 단계; 및
- 슬래그 샘플이 녹색인 경우, 제련 단계를 종료하는 단계; 또는
- 슬래그 샘플이 녹색이 아닌 경우, 더 강한 환원 조건을 달성하기 위해 pO2-수준을 조정한 후 제련 단계를 진행하는 단계.
The method of claim 1, wherein the smelting step comprises the following additional steps:
- Sampling the slag;
- Cooling the slag sample and evaluating its color; and
- if the slag sample is green, ending the smelting step; or
- If the slag sample is not green, adjust the pO 2 -level to achieve stronger reduction conditions and then proceed with the smelting step.
제1항에 있어서, pO2-수준은 10-7 > pO2 > 10-12로 조정되는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the pO 2 -level is adjusted to 10 -7 > pO 2 > 10 -12 . 제9항에 있어서, 슬래그의 색은 녹색인 방법.The method of claim 9, wherein the color of the slag is green. 제1항에 있어서, 노는 전기로인 방법.The method of claim 1, wherein the furnace is an electric furnace. 제1항에 있어서, Li 함유 야금 슬래그는 슬래그 형성제를 포함하는 장입물을 제공하는 단계에서 슬래그 형성제를 부분적으로 또는 완전히 대체하고, Li 함유 야금 슬래그는 하기에 따른 중량 기준 퍼센트 조성을 갖는 것인 방법:
10% < MnO < 40%;
(CaO + 1.5*Li2O) / Al2O3 > 0.3;
CaO + 0.8*MnO + 0.8*Li2O < 60%;
(CaO + 2*Li2O + 0.4*MnO) / SiO2 ≥ 2.0;
Li2O ≥ 1%; 및
Al2O3 + SiO2 + CaO + Li2O + MnO + FeO + MgO > 85%.
2. The method of claim 1, wherein the Li-containing metallurgical slag partially or completely replaces the slag former in the step of providing a charge comprising the slag former, and the Li-containing metallurgical slag has a percent composition by weight according to: method:
10% < MnO <40%;
(CaO + 1.5*Li 2 O) / Al 2 O 3 >0.3;
CaO + 0.8*MnO + 0.8*Li 2 O <60%;
(CaO + 2*Li 2 O + 0.4*MnO) / SiO 2 ≥ 2.0;
Li 2 O ≥ 1%; and
Al 2 O 3 + SiO 2 + CaO + Li 2 O + MnO + FeO + MgO > 85%.
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