KR20120094622A - 분쇄 및 분급장치와 이를 이용한 폐배터리 팩으로부터 유가금속을 회수하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분쇄 및 분급장치와 이를 이용한 폐배터리 팩으로부터 유가금속을 회수하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 분쇄 및 분급장치는 분쇄공간을 형성하는 분쇄본체와; 상기 분쇄공간 내에 위치하고 있으며 양극구조체를 분쇄하는 분쇄부와; 분급공간을 형성하는 분급본체와; 상기 분급공간 내에 위치하며 분쇄물을 분급하는 분급부와; 상기 분급부를 진동시키는 진동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 분쇄 및 분급장치와 이를 이용한 폐배터리 팩으로부터 유가금속을 회수하는 방법에 관한 것이다.
최근 단위 배터리셀을 복수개 포함하는 배터리팩의 사용이 증가하고 있다. 배터리팩은 전기적으로 연결되어 있는 배터리 모듈을 복수개 포함하고 있는데, 배터리 모듈에는 전기적으로 연결되어 있는 배터리셀이 복수개 포함되어 있다.
이러한 배터리팩은 큰 전기용량이 필요한 전기자동차(EV) 내지 하이브리드 전기자동차(HEV)에 많이 사용되고 있다.
EV 내지 HEV는 세계적인 환경문제인 온실효과에 의한 기후변화 문제를 해결하기 위한 수단으로 각광받고 있으며, 생산대수는 급격히 증가할 것으로 예상된다.
EV 내지 HEV에서 사용되는 베터리셀은 리튬이온전지를 많이 사용하는데, 이 때 양극활물질로 LiNixCoyMnzO2형태가 많이 사용된다.
그런데, 전기자동차에서 발생하는 폐배터리팩 역시 향후 급격히 증가할 것으로 예상되지만 이로부터 유가금속을 회수하는 방법은 제시되어 있지 않다. 또한 유가금속 회수과정에서는 분쇄와 분급이 이루어져야 하는데 이를 효율적으로 수행할 장치와 방법 역시 제시되어 있지 않다.
본 발명의 목적은 분쇄 및 분급장치와 이를 이용하여 폐배터리 팩으로부터 유가금속을 회수하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 폐배터리로부터 회수된 양극구조체를 분쇄 및 분급하는 장치에 있어서, 분쇄공간을 형성하는 분쇄본체와; 상기 분쇄공간 내에 위치하고 있으며 양극구조체를 분쇄하는 분쇄부와; 분급공간을 형성하는 분급본체와; 상기 분급공간 내에 위치하며 분쇄물을 분급하는 분급부와; 상기 분급부를 진동시키는 진동부를 포함하는 장치에 의해 달성된다.
상기 양극구조체는, 알루미늄 호일과; 상기 알루미늄 호일에 고정되어 있는 양극활물질을 포함할 수 있다.
상기 분쇄부는 상하 방향으로 이격되어 있는 적어도 2개의 분쇄날을 포함할 수 있다.
상기 분급부는, 상하 방향으로 이격되어 있으며 서로 다른 메쉬 사이즈를 가지는 적어도 2개의 분급체를 포함할 수 있다.
상기 분급체 중 가장 작은 메쉬 사이즈는 65메쉬일 수 있다.
상기 각 분급체의 상부 및 하부에 위치하며 상기 분급공간과 외부를 연통하는 분급 드레인을 더 포함할 수 있다.
분쇄물을 상기 분쇄본체에서 상기 분급본체로 공급하는 분쇄물 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 분쇄물 공급부는, 상기 분쇄공간 내의 분쇄물을 흡입하는 흡입이송유닛과; 상기 분급공간 내에 공급되는 분쇄물의 양을 조절하는 이송조절유닛을 포함할 수 있다.
본 발명의 목적은 폐배터리팩으로부터 유가금속을 회수하는 방법에 있어서, 상기 폐배터리팩은 전기적으로 연결된 복수의 배터리모듈을 포함하고, 상기 배터리모듈은 전기적으로 연결된 복수의 배터리셀을 포함하며, 상기 폐배터리팩을 분해하여 배터리셀을 얻는 단계와; 상기 배터리셀을 방전시키는 단계와; 상기 배터리셀 중 적어도 양극구조체를 분쇄 및 분급하여 유가금속을 회수하는 단계를 포함하며, 상기 분쇄 및 분급에는 분쇄공간을 형성하는 분쇄본체와; 상기 분쇄공간 내에 위치하고 있으며 양극구조체를 분쇄하는 분쇄부와; 분급공간을 형성하는 분급본체와; 상기 분급공간 내에 위치하며 분쇄물을 분급하는 분급부와; 상기 분급부를 진동시키는 진동부를 포함하는 분쇄 및 분급 장치를 사용하는 방법에 의해 달성된다.
상기 분쇄부는 상하 방향으로 이격되어 있는 적어도 2개의 분쇄날을 포함할 수 있다.
상기 분급부는, 상하 방향으로 이격되어 있으며 서로 다른 메쉬 사이즈를 가지는 적어도 2개 이상의 분급체를 포함할 수 있다.
상기 분쇄 및 분급장치는, 상기 각 분급체의 상부 및 하부에 위치하며 분체공간과 외부를 연통하는 분급 드레인을 더 포함할 수 있다.
상기 분쇄 및 분급장치는, 분쇄물을 상기 분쇄본체에서 상기 분급본체로 공급하는 분쇄물 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 분쇄물 공급부는, 상기 분쇄공간 내의 분쇄물을 흡입하는 흡입이송유닛과; 상기 분급공간 내에 공급되는 분쇄물의 양을 조절하는 이송조절유닛을 포함할 수 있다.
상기 방전은 방전용액 내에서 이루어지며, 상기 방전 후, 상기 배터리셀을 탈수하고 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리셀을 얻는 단계는, 상기 배터리모듈 간의 전기적 연결을 제거하는 단계와; 상기 배터리모듈에서 회로기판과 프레임을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방전 후, 상기 배터리셀을 양극구조체, 음극구조체 및 분리막으로 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 양극구조체는, 알루미늄 호일과; 상기 알루미늄 호일에 고정되어 있는 양극활물질을 포함할 수 있다.
상기 분쇄 및 분급은, 양극활물질은 80%이상 회수되고, 알루미늄은 6%이하 회수되도록 수행될 수 있다.
본 발명의 목적은 양극활물질로 LiNixCoyMnzO2를 사용하는 리튬이온전지 타입의 배터리셀을 복수개 포함하는 하이브리드 자동차용 배터리 팩으로부터 유가금속을 회수하는 방법에 있어서, 상기 폐배터리팩은 전기적으로 연결된 복수의 배터리모듈을 포함하고, 상기 배터리모듈은 전기적으로 연결된 복수의 상기 배터리셀을 포함하며, 상기 폐배터리팩으로부터 수작업으로 상기 배터리모듈을 분리하는 단계와; 상기 배터리모듈로부터 수작업으로 상기 배터리셀을 분리하는 단계와; 상기 배터리셀을 방전시키는 단계와; 상기 배터리셀을 수작업으로 상기 양극활물질을 포함하는 양극구조체, 음극구조체 및 분리막으로 분리하는 단계와; 상기 양극구조체를 분쇄 및 분급하여 유가금속을 회수하는 단계를 포함하며, 상기 분쇄 및 분급에는 분쇄공간을 형성하는 분쇄본체와; 상기 분쇄공간 내에 위치하고 있으며 양극구조체를 분쇄하는 분쇄부와; 분급공간을 형성하는 분급본체와; 상기 분급공간 내에 위치하며 분쇄물을 분급하는 분급부와; 상기 분급체를 진동시키는 진동부를 포함하는 분쇄 및 분급 장치를 사용하는 방법에 의해 달성된다.
상기 분쇄부는 상하 방향으로 이격되어 있는 한 쌍의 분쇄날을 포함하며, 상기 분급부는 상하 방향으로 이격되어 있으며 서로 다른 메쉬 사이즈를 가지는 적어도 2개 이상의 분급체를 포함할 수 있다.
본 발명의 목적은 폐배터리팩으로부터 유가금속을 회수하는 방법에 있어서, 상기 폐배터리팩은 전기적으로 연결된 복수의 배터리모듈을 포함하고, 상기 배터리모듈은 전기적으로 연결된 복수의 배터리셀을 포함하며, 상기 폐배터리팩을 분해하여 배터리셀을 얻는 단계와; 상기 배터리셀을 방전시키는 단계와; 상기 배터리셀로부터 양극구조체를 분리하는 단계와; 상하 방향으로 이격되어 있는 적어도 2개 이상의 분쇄날을 이용하여 상기 양극구조체를 분쇄하여 분쇄물을 얻는 단계와; 상기 분쇄물을 상하 방향으로 이격되어 있으며 서로 다른 메쉬 사이즈를 가지는 적어도 2개 이상의 분급체의 진동에 의해 분급하는 단계를 포함하는 방법에 의해 달성된다.
상기 양극구조체는, 알루미늄 호일과; 상기 알루미늄 호일에 고정되어 있는 양극활물질을 포함하며, 상기 분쇄 및 분급은, 양극활물질은 80%이상 회수되고, 알루미늄은 6%이하 회수되도록 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 효율적인 분쇄 및 분급 장치와 유가금속 회수방법이 제공된다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 분쇄 및 분급장치를 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명에 따른 유가금속 회수 방법을 나타낸 공정도이고,
도 6은 폐 배터리팩에서 배터리모듈을 분리하는 모습을 나타낸 것이고,
도 7은 폐 배터리팩에서 배터리모듈의 전기적 연결을 설명한 것이고,
도 8은 배터리모듈에서 배터리셀을 분리하는 모습을 나타낸 것이고,
도 9는 배터리모듈에서 분리한 배터리셀을 나타낸 것이고,
도 10은 방전용액을 보충하지 않은 경우 배터리셀의 방전과정에서의 전압변화를 나타낸 것이고,
도 11은 방전용액을 보충하는 경우 배터리셀의 방전과정에서의 전압변화를 나타낸 것이고,
도 12는 방전된 배터리셀을 탈수 후 건조할 경우 건조율을 나타낸 것이고,
도 13은 방전된 배터리셀을 탈수 없이 건조할 경우 건조율을 나타낸 것이고,
도 14는 방전 및 건조된 배터리셀을 나타낸 것이고,
도 15는 방전 및 건조된 배터리셀에서 분리한 양극구조체의 모습이고,
도 16은 분쇄 조건에 따른 입도별 무게함량을 나타낸 도면이고,
도 17은 1차 분쇄 후 입도별 유가금속 및 불순물의 농축율을 나타낸 도면이고,
도 18은 2차 분쇄 후 입도별 유가금속 및 불순물의 농축율을 나타낸 도면이고,
도 19는 3차 분쇄 후 입도별 유가금속 및 불순물의 농축율을 나타낸 도면이고,
도 20은 과분쇄 후 입도별 유가금속 및 불순물의 농축율을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 유가금속 회수 방법을 나타낸 공정도이고,
도 6은 폐 배터리팩에서 배터리모듈을 분리하는 모습을 나타낸 것이고,
도 7은 폐 배터리팩에서 배터리모듈의 전기적 연결을 설명한 것이고,
도 8은 배터리모듈에서 배터리셀을 분리하는 모습을 나타낸 것이고,
도 9는 배터리모듈에서 분리한 배터리셀을 나타낸 것이고,
도 10은 방전용액을 보충하지 않은 경우 배터리셀의 방전과정에서의 전압변화를 나타낸 것이고,
도 11은 방전용액을 보충하는 경우 배터리셀의 방전과정에서의 전압변화를 나타낸 것이고,
도 12는 방전된 배터리셀을 탈수 후 건조할 경우 건조율을 나타낸 것이고,
도 13은 방전된 배터리셀을 탈수 없이 건조할 경우 건조율을 나타낸 것이고,
도 14는 방전 및 건조된 배터리셀을 나타낸 것이고,
도 15는 방전 및 건조된 배터리셀에서 분리한 양극구조체의 모습이고,
도 16은 분쇄 조건에 따른 입도별 무게함량을 나타낸 도면이고,
도 17은 1차 분쇄 후 입도별 유가금속 및 불순물의 농축율을 나타낸 도면이고,
도 18은 2차 분쇄 후 입도별 유가금속 및 불순물의 농축율을 나타낸 도면이고,
도 19는 3차 분쇄 후 입도별 유가금속 및 불순물의 농축율을 나타낸 도면이고,
도 20은 과분쇄 후 입도별 유가금속 및 불순물의 농축율을 나타낸 도면이다.
본 발명에서 언급하는 폐배터리 팩은 전기자동차 특히 하이브리드 자동차(HEV) 용 배터리팩에서 얻어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 본 발명의 분쇄 및 분급 장치는 전기자동차 또는 하이브리드 자동차외의 폐배터리로부터 얻어진 양극구조체의 분쇄 및 분급에 사용될 수 있으며, 음극구조체 및/또는 분리막을 양극구조체와 함께 분쇄 및 분급하는데 사용될 수도 있다.
도 1 내지 4를 참조하여 본 발명에 따른 분쇄 및 분급 장치를 설명한다.
분쇄 및 분급장치는 분쇄본체(10), 분쇄부(20), 분쇄물 공급부(30), 분급본체(40), 분급부(50) 및 진동부(60)를 포함한다.
분쇄본체(10)는 원통형이며, 내부 분쇄공간을 형성한다. 분쇄본체(10)를 나타낸 도 1에는 분쇄물 이동을 위한 흡입부, 전원공급을 위한 구성 및 이동가능한 분쇄분체 적재부도 같이 도시되어 있다.
분쇄부(20)는 분쇄공간 내에 위치하며, 분쇄공간 내에 투입된 대상물을 분쇄한다. 분쇄부(20)는 상하로 이격되어 있는 한 쌍의 분쇄날(21, 22)로 이루어져 있다. 양극 구조체는 면적이 크기 때문에 분쇄공간 내에 적재되는 상태에 따라 분쇄가 이루어지지 않는 영역이 존재할 수 있기 때문에 상하 2단으로 분쇄날(21, 22)을 마련하였다.
분쇄날(21, 22)은 스테인레스 스틸로 이루어져 있으며, 2000 내지 10000rpm으로 회전할 수 있다. 필요에 따라 분쇄날(21, 22)은 3단 이상으로 마련될 수도 있다.
양극구조체에서 주요 회수대상인 양극활물질은 알루미늄 호일에 부착되어 있는데, 분쇄과정에서 양극활물질이 알루미늄 호일에서 분리된다. 분쇄과정에서는 알루미늄 역시 분쇄되나 양극활물질보다는 입도가 크기 때문에 이후의 분급부(50)에서 분리될 수 있다.
분쇄물 공급부(30)는 분쇄부(20)에서 분쇄된 분쇄물을 분급본체(40)에 공급한다. 분쇄물 공급부(30)는 분쇄공간 내의 분쇄물을 흡입하는 흡입이송유닛(31)과 흡입된 분쇄물의 공급량을 조절하는 이송조절유닛(32)를 포함한다.
흡입이송유닛(31)은 에어컴프레서를 이용한 싸이클론으로 마련되어 있으며, 에어컴프레서에서 공기를 압축하는 과정에서 발생하는 공기흡입을 이용하여 분쇄물을 이송한다. 이송조절유닛(32)은 로타리 밸브로 마련되어 있으며, 흡입과정에서는 닫혀 있어 분쇄물이 흡입될 수 있도록 하며 분쇄물 흡입 후에는 개방되어 자연낙하를 통해 분쇄물을 분급본체(40)로 공급한다. 도시하지는 않았지만 싸이클론과 로타리 밸브를 제어하는 제어부를 통해 분쇄물 흡입 및 공급을 조절할 수 있다. 흡입 및 공급은 분쇄 및 분급 처리용량에 따라 조절될 수 있다. 분쇄물의 공급이 수동으로 이루어지는 경우 분쇄물 공급부(30) 전체 또는 일부는 마련되지 않을 수 있다.
분급본체(40)는 분급공간을 형성하며, 원통형이다.
분급부(50)는 분급공간 내에 위치하여 분쇄물을 입도에 따라 분리한다. 분급부(50)는 상하방향으로 이격된 2개의 분급체(51, 52)를 포함한다. 도 4에는 분급체(51, 52)를 지지하는 틀도 같이 도시되어 있다. 분급체(51, 52)는 서로 다른 메쉬사이즈를 가지고 있는데 상부의 분급체(51)가 메쉬사이즈가 더 크게, 즉 하부의 분급체(52)의 메쉬가 더 촘촘하도록 배치한다. 필요에 따라 분급체(51, 52)는 3개 이상으로 마련될 수도 있다.
분급된 분쇄물은 분급 드레인(41, 42, 43)을 통해 외부로 드레인된다. 상부 분급체(51)는 40메쉬로 하부 분급체(52)는 65메쉬로 마련될 수 경우, 상부의 분급 드레인(41)에서는 +40메쉬의 비교적 큰 입자가 드레인되고, 중간의 분급 드레인(42)에서는 -40메쉬 내지 +65메쉬의 중간 크기 입자가 드레인되며, 하부의 분급 드레인(43)에서는 -65메쉬의 고운입자가 드레인된다.
진동부(60)는 분급본체(40) 자체를 진동시키는데 이에 의해 분급부(50)도 진동하면서 분쇄물이 분급된다.
도 5를 참조하여 분쇄/분급장치를 이용한 폐배터리 팩으로부터 유가금속을 회수하는 방법을 설명한다.
이하에서는 폐배터리팩의 배터리셀을 리튬이온전지타입을 예로 들어 설명하나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
폐배터리팩은 전기적으로 연결된 복수의 배터리모듈을 포함하며, 배터리모듈은 전기적으로 연결된 복수의 배터리셀을 포함한다. 배터리셀은 알루미늄 케이스 내에 위치하며 양극구조체, 분리막, 전해질 및 음극구조체를 포함한다.
먼저 폐배터리팩을 배터리 모듈로 분리한다(S100). 이 과정에서는 폐배터리팩의 전압을 체크하고 배터리 모듈간의 전기적 연결을 제거한다. 또한 배터리 모듈 사이를 연결하는 나사 등도 제거한다. 이 작업은 수작업으로 이루어질 수 있다.
다음으로 배터리 모듈을 배터리 셀로 분리한다(S200). 배터리 모듈에는 회로기판, 프레임 및 배터리셀이 있으며, 회로기판과 프레임은 별도로 재활용한다. 이 작업 역시 수작업으로 이루어질 수 있다.
다음으로 작업안정성을 위해 배터리 셀을 방전시킨다(S300). 방전이 완료되면 이후의 유가금속회수 공정은 불활성 분위기가 아닌 대기 중에서도 안전하게 이루어질 수 있다. 방전은 방전용액 내에서 이루어 질 수 있다. 방전용액으로는 증류수를 사용할 수 있다. 방전의 완료정도는 시간에 따른 전압감소를 통해 확인할 수 있다.
이후 방전된 배터리 셀을 탈수 및 건조한다(S400). 건조는 60℃ 내지 90℃에서 이루어질 수 있다. 방전 후 회수된 배터리셀은 바로 건조과정으로 투입되거나 또는 탈수과정을 거치게 되면 건조시간이 감소하는데, 건조시간은 10시간 내지 30시간일 수 있다. 배터리 셀은 알루미늄 케이스 내에 있을 수 있는데, 방전 전에 알루미늄 케이스는 제거될 수 있다.
한편, 배터리 셀 내의 전해질은 방전과정에서 대부분 제거되며, 일부 남아있는 전해질도 건조과정에서 휘발되어 제거된다.
다음으로 배터리 셀로부터 양극구조체를 분리한다(S500). 각 배터리 셀은 양극구조체, 분리막 및 음극구조체로 이루어져 있는데, 수작업을 통해 이들을 분리한다. 양극구조체는 알루미늄 호일과 이에 고정되어 있는 양극활물질로 이루어져 있는데, 양극활물질은 LiNixCoyMnzO2일 수 있다. 분리막은 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌으로 이루어질 수 있다. 음극구조체는 구리 호일과 이에 고정되어 있는 그래파이트로 이루어질 수 있다. 여기서 회수대상인 유가금속은 음극물질 (Cu), 양극물질 (Al), 양극활물질(Li, Ni, Mn, Co)을 구성하고 있는 금속(양극활물질의 회수가 목적인 경우, 알루니늄은 불순물로 취급될 수 있다)이며 얻어진 양극활물질은 추가의 처리를 위한 공정으로 이송되어진다.
얻어진 양극구조체는 이후 분쇄 및 분급되는데, 이 과정은 본 발명에 따라 마련된 분쇄 및 분급장치로 이루어진다(S600).
분쇄 및 분급은 원하는 유가금속은 80%이상 회수되고, 원하지 않는 금속은 6%이하로 회수되도록 하는 것이 바람직하다. 회수한 유가금속으로 양극활물질을 만드는 경우 등에는 원하지 않는 금속은 알루미늄일 수 있다. 분쇄를 하여도 통상 양극활물질을 구성하는 성분의 입도가 분쇄된 알루미늄 호일보다는 작기 때문에 분리입도를 작게 하면 알루미늄 함량을 낮게 할 수 있다. 분리조건은 65메쉬 이하로 할 수 있는데, 이를 위해 하부 분급체(52)로서 65메쉬의 분급체를 사용한다.
본 발명에 따른 다른 회수방법에서는 양극구조체와 함께 음극구조체를 대상으로 분쇄 및 분급한다. 이 때 음극구조체의 활물질은 방전과정 등을 통해 제거된 상태일 수 있으며, 분리막도 제거된 상태일 수 있다. 배터리셀이 양극구조체/ 음극구조체/양극구조체 형태이거나 음극구조체/양극구조체/음극구조체 형태인 경우에는 이 방법을 사용할 수 있다.
회수된 유가금속은 필요에 따라 산침출을 통한 불순물 제거 및 리튬탄산화 등을 거쳐 양극활물질의 원료물질로 재활용하거나 유가금속의 황산용액을 얻을 수도 있다.
[실시예]
이하 유가금속 회수에 관한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되는 것은 아니라는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실험에 사용한 폐배터리 팩은 골프카트에 사용되었던 것으로 6개의 단위 배터리모듈로 이루어져 있으며, 각 배터리 모듈은 10개의 배터리셀로 이루어져 있다.
1. 배터리 모듈로 분리
도 6은 폐 배터리팩으로 배터리 모듈을 분리하는 사진이다. 배터리 모듈은 2층구조로 각 층마다 3개씩 위치하고 있다. 상부층과 하부층의 배터리 모듈은 각각 직렬로 연결되어 있으며, 이와 함께 상부층과 하부층의 배터리 모듈은 병렬로도 연결되어 있다.
배터리 팩으로부터 각각의 배터리모듈을 안정적으로 해체하기 위해 배터리팩의 전압을 체크한 후, 연결된 전선을 한꺼번에 자르지 않고 차례대로 하나씩 잘라냈다.
폐 배터리 팩 내에 배터리 모듈은 도 7의 모습과 같이 연결되어 있으며 먼저 직렬부분의 연결바를 해체한 후 병렬부분의 연결바를 해체하는 순서로 해체를 진행하였으며 모든 연결바를 제거한 후 배터리 모듈사이에 연결된 나사를 풀어 배터리 팩으로부터 배터리 모듈을 분리하였다.
이상의 작업은 수작업으로 이루어졌다.
2. 배터리 셀로 분리
해체한 배터리 모듈의 위와 아래는 아크릴판과 기판으로 구분되어져 있으며, 셀을 해체할 때 셀이 층층으로 적층되어 있는 형태이기 때문에 단락을 방지하기 위하여 위, 아래 셀의 접점끼리 접합하지 않도록 처리해주어야 한다.
각각의 배터리셀은 셀과 셀 사이에, 그리고 셀을 고정시켜주는 프레임에는 프레임과 프레임 사이에 분리를 막기 위하여 양면테이프로 고정되어 있기 때문에 프레임을 먼저 제거한 뒤, 각각의 접점을 절연가위를 이용해 절단하여 각각의 배터리셀을 해체하는 작업을 진행하였다.
도 8은 절연가위를 이용한 분리작업을 나타낸 것이다. 도 9는 분리된 배터리 셀을 나타낸 것이다. 도 9에서 배터리 셀은 알루미늄 케이스에 싸여져 있다.
3. 방전
알루미늄 케이스를 제거한 배터리 셀을 증류수에 넣고 방전을 실시하였다.
도 10과 도 11은 방전 중 전압변화를 나타낸 것이다. 도 10은 방전용액을 보충하지 않은 경우이고 도 11은 방전용액을 보충한 경우이다.
방전용액을 보충하지 않은 경우와 보충할 경우의 전압의 변화의 차이는 크게 나타나지 않았음을 확인할 수 있었다. 전압변화의 거동은 반응이 가장 클 때가 5분 내외로 그 때의 전압이 가장 많이 떨어지는 것으로 확인 할 수 있었으며 두 방전반응 모두 70분 이내에 모든 방전이 완료되는 것을 확인할 수 있었다.
방전 후, 분리회수된 배터리 셀의 성분분석을 위하여 왕수(HCl:HNO3 = 3:1)를 이용하여 시료를 용해 후 ICP 분석을 통해 시료의 성분을 분석하였다.
| Co | Mn | Ni | Li | Al | Cu | Fe | |
| 1 | 4.9 | 11.9 | 12.5 | 2.3 | 7.2 | 13.0 | 0.04 |
| 2 | 4.9 | 12.0 | 12.1 | 2.2 | 7.2 | 12.7 | 0.04 |
| 3 | 5.0 | 11.7 | 12.3 | 2.2 | 7.1 | 12.8 | 0.04 |
| 4 | 4.7 | 11.1 | 11.4 | 2.1 | 6.8 | 12.2 | 0.04 |
| 5 | 5.7 | 13.2 | 13.4 | 2.5 | 8.1 | 14.5 | 0.04 |
| Ave. | 5.1 | 12.0 | 12.3 | 2.3 | 7.3 | 13.1 | 0.04 |
| LiNixMnyCozO2 | Li | Ni | Mn | Co |
| 원자량 | 6.94 | 58.70 | 54.94 | 58.93 |
| 함량 (%) | 2.26 | 12.34 | 11.97 | 5.05 |
| 몰비 | 0.33 | 0.21 | 0.22 | 0.09 |
| 비율 | 1 | 0.6 | 0.7 | 0.3 |
표 1과 표 2에서 볼 수 있는 바와 같이 시료 내 유가금속은 Co, Mn, Ni, Li, Al, Cu로 이루어져 있음을 확인할 수 있었고, 미량의 Fe도 포함되어져 있는 것을 알 수 있었다. 이때 각 원소들의 함량은 5.1% Co, 12% Mn, 12.3% Ni, 2.3% Li, 7.3% Al, 13.1% Cu임을 확인하였다. 양극활물질인 LiNixMnyCozO2의 Li:Ni:Mn:Co의 몰 비율은 1 : 0.6 : 0.7 : 0.3이었다.
4. 탈수 및 건조
방전 후 배터리 셀을 80℃에서 건조하였다. 도 12와 도 13은 건조시간에 따른 건조효율을 나타낸 것이다. 도 12는 탈수기를 이용하여 탈수 후 건조한 경우이고, 도 13은 탈수과정 없이 건조한 경우이다.
도 12에서 보는 바와 같이 탈수를 할 경우에는 시료의 무게가 10시간 이후에 무게의 변화가 거의 없어 시료가 건조가 다 됨을 확인할 수 있었다. 반면에 도 13에서 볼 수 있는 바와 같이 탈수를 하지 않을 경우에는 24시간 정도 지나야 건조무게가 일정해지면서 건조가 다 되었음을 확인 할 수 있었다.
5. 양극구조체 분리
도 14는 방전 및 건조가 완료된 배터리 셀의 모습이다. 수작업을 통해 배터리 셀을 양극구조체, 분리막 및 음극구조체로 분리하였다. 도 15는 분리된 양극구조체를 나타낸다.
음극구조체는 음극인 구리 호일로부터 음극활물질인 그래파이트가 쉽게 분리되어 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 음극구조체는 바로 이들을 제조하는 회사에서 바로 재활용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 분리막도 바로 재활용이 가능한 상태이다.
반면, 양극구조체는 양극인 알루미늄 호일과 양극활물질의 분리가 관찰되지 않는다. 따라서 양극구조체로부터 유가금속을 회수하기 위해서는 추가의 작업이 필요하다.
6. 분쇄 및 분급
다음으로 양극구조체를 대상으로 본 발명에 따른 분쇄 및 분급 장치를 이용하여 분쇄 및 분급을 실시하였다.
실험에서 분쇄부(20)는 상하로 이격된 한 쌍의 분쇄날(21, 22)을 사용하였으며, 회전속도는 5000rpm이었다. 분급부(50)는 8메쉬, 18메쉬, 40메쉬 및 65메쉬의 4개 분급체를 사용하였다.
분쇄실험은 4차로 나누어 진행하였으며 각 분쇄 횟수별로 시료를 추가하면서 분쇄특성을 살펴보았다. 먼저 1차 분쇄에서는 분쇄기에 5.6kg의 시료를 투입한 후 6분 동안 분쇄하였고 분쇄 후 일정량의 샘플을 채취하여 분쇄효율을 파악하였다. 2차 분쇄에서는 1차 분쇄산물에 추가로 7.9kg의 시료를 추가한 후 6분 분쇄하였고 마찬가지로 분쇄산물을 채취하여 분쇄효율을 파악하였으며 3차 분쇄에서는 13.8kg의 시료를 투입 후 9분 동안 분쇄하고 분쇄효율을 분석하였다. 4차 분쇄(과분쇄)에서는 추가의 시료투입 없이 3분의 추가분쇄를 통해 과분쇄에 의한 금속 회수율 변화를 조사하였다.
표 3에 분쇄본체(10)에 투입된 양극구조체의 무게와 분쇄시간을 나타내었다.
| 1차 분쇄 | 2차 분쇄 | 3차 분쇄 | 과분쇄 | |
| 투입무게 (kg) | 5.6 | 7.9 | 13.8 | 0 |
| 분쇄시간 (분) | 6 | 6 | 9 | 3 |
표 4 및 도 16은 분쇄 조건에 따른 입도별 무게함량을 나타낸 것이다.
| 입도 | 1차 분쇄 | 2차 분쇄 | 3차 분쇄 | 과분쇄 |
| +8 | 2.89 | 7.22 | 0.06 | 0.00 |
| -8+18 | 12.14 | 13.81 | 12.05 | 6.94 |
| -18+40 | 9.58 | 8.48 | 11.21 | 13.85 |
| -40+65 | 2.34 | 2.71 | 2.42 | 2.88 |
| -65 | 71.61 | 67.36 | 73.72 | 75.51 |
| Loss | 1.44 | 0.42 | 0.53 | 0.82 |
| Total | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 |
표 4 및 도 16으로부터 +8mesh 산물의 경우 분쇄회수가 증가함에 따라 함량이 감소하는 경향을 볼 수 있었으나 대체적으로 분쇄회수와 상관없이 유사한 분쇄거동을 보임을 확인할 수 있었다. 과분쇄를 통해 +8mesh 산물은 완전히 분쇄가 가능하였고 -8+18mesh 산물의 경우도 함량을 절반가량 낮출 수 있었다.
아래 표 5 내지 표 8은 각각 1차, 2차, 3차 및 과분쇄에 있어서 유가금속과 불순물(알루미늄)의 농축율을 나타낸 것이고, 도 17 내지 20은 각각 표 5 내지 표 8을 그래프로 나타낸 것이다.
| mesh | Co | Li | Ni | Mn | Al |
| +8 | 2.99 | 3.36 | 2.98 | 2.98 | 6.84 |
| -8+18 | 8.33 | 9.45 | 8.40 | 8.42 | 42.65 |
| -18+40 | 5.29 | 6.37 | 5.54 | 5.66 | 40.42 |
| -40+65 | 1.71 | 1.82 | 1.73 | 1.73 | 3.26 |
| -65 | 81.67 | 79.00 | 81.35 | 81.21 | 6.83 |
| total | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 |
| mesh | Co | Li | Ni | Mn | Al |
| +8 | 6.28 | 7.57 | 6.35 | 6.40 | 11.29 |
| -8+18 | 10.32 | 10.46 | 10.44 | 10.31 | 45.52 |
| -18+40 | 5.33 | 5.37 | 4.98 | 5.02 | 32.78 |
| -40+65 | 2.19 | 2.27 | 2.20 | 2.21 | 3.53 |
| -65 | 75.87 | 74.32 | 76.03 | 76.06 | 6.87 |
| total | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 |
| mesh | Co | Li | Ni | Mn | Al |
| +8 | 0.05 | 0.00 | 0.04 | 0.03 | 0.04 |
| -8+18 | 9.14 | 8.98 | 9.19 | 9.34 | 44.42 |
| -18+40 | 7.15 | 7.59 | 6.80 | 7.03 | 43.46 |
| -40+65 | 1.69 | 1.88 | 1.69 | 1.73 | 4.67 |
| -65 | 81.98 | 81.54 | 82.27 | 81.87 | 7.40 |
| total | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 |
| mesh | Co | Li | Ni | Mn | Al |
| +8 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| -8+18 | 5.58 | 5.90 | 5.69 | 5.62 | 27.45 |
| -18+40 | 11.22 | 10.76 | 11.75 | 11.94 | 60.88 |
| -40+65 | 2.63 | 2.42 | 2.46 | 2.50 | 6.29 |
| -65 | 80.56 | 80.92 | 80.11 | 79.94 | 5.38 |
| total | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 |
이상의 결과에서 보면 4가지 분쇄조건 모두 -65메쉬 산물로는 양극활물질에 포함된 원소인 Co, Li, Ni, Mn이 약 80% 정도 농축된 것을 확인할 수 있었고 이때 불순물인 Al의 경우 약 5% 정도가 농축(따라서 Al의 제거율은 약 95%정도)된 것을 볼 수 있었다. 실제 공정 적용 시에는 양극활물질에 포함된 원소인 Co, Li, Ni, Mn의 회수율이 80% 이상이 되고 Al은 6%이하가 되도록 분쇄 및 분급 조건을 조절할 수 있다.
이상으로부터 본 발명에 따른 분쇄 및 분급장치를 사용하면 일정한 효율을 유지하는 분쇄 및 분급을 얻을 수 있음이 확인되었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
10: 분쇄본체 20: 분쇄부
21, 22: 분쇄날 30: 분쇄물 공급부
31: 흡입이송유닛 32: 이송조절유닛
40: 분급본체 41, 42, 43: 분급 드레인
50: 분급부 51, 52: 분급체
60: 진동부
21, 22: 분쇄날 30: 분쇄물 공급부
31: 흡입이송유닛 32: 이송조절유닛
40: 분급본체 41, 42, 43: 분급 드레인
50: 분급부 51, 52: 분급체
60: 진동부
Claims (23)
- 폐배터리로부터 회수된 양극구조체를 분쇄 및 분급하는 장치에 있어서,
분쇄공간을 형성하는 분쇄본체와;
상기 분쇄공간 내에 위치하고 있으며 양극구조체를 분쇄하는 분쇄부와;
분급공간을 형성하는 분급본체와;
상기 분급공간 내에 위치하며 분쇄물을 분급하는 분급부와;
상기 분급부를 진동시키는 진동부를 포함하는 장치. - 제1항에서,
상기 양극구조체는,
알루미늄 호일과;
상기 알루미늄 호일에 고정되어 있는 양극활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제1항에서,
상기 분쇄부는 상하 방향으로 이격되어 있는 적어도 2개의 분쇄날을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제1항에서,
상기 분급부는,
상하 방향으로 이격되어 있으며 서로 다른 메쉬 사이즈를 가지는 적어도 2개 의 분급체를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제4항에서,
상기 분급체 중 가장 작은 메쉬 사이즈는 65메쉬인 것을 특징으로 하는 장치. - 제4항에서,
상기 각 분급체의 상부 및 하부에 위치하며 상기 분급공간과 외부를 연통하는 분급 드레인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제1항에서,
분쇄물을 상기 분쇄본체에서 상기 분급본체로 공급하는 분쇄물 공급부를 더 포함하는 장치. - 제7항에서,
상기 분쇄물 공급부는,
상기 분쇄공간 내의 분쇄물을 흡입하는 흡입이송유닛과;
상기 분급공간 내에 공급되는 분쇄물의 양을 조절하는 이송조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치. - 폐배터리팩으로부터 유가금속을 회수하는 방법에 있어서,
상기 폐배터리팩은 전기적으로 연결된 복수의 배터리모듈을 포함하고, 상기 배터리모듈은 전기적으로 연결된 복수의 배터리셀을 포함하며,
상기 폐배터리팩을 분해하여 배터리셀을 얻는 단계와;
상기 배터리셀을 방전시키는 단계와;
상기 배터리셀 중 적어도 양극구조체를 분쇄 및 분급하여 유가금속을 회수하는 단계를 포함하며,
상기 분쇄 및 분급에는
분쇄공간을 형성하는 분쇄본체와;
상기 분쇄공간 내에 위치하고 있으며 양극구조체를 분쇄하는 분쇄부와;
분급공간을 형성하는 분급본체와;
상기 분급공간 내에 위치하며 분쇄물을 분급하는 분급부와;
상기 분급부를 진동시키는 진동부를 포함하는 분쇄 및 분급 장치를 사용하는 방법. - 제9항에서,
상기 분쇄부는 상하 방향으로 이격되어 있는 적어도 2개의 분쇄날을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제9항에서,
상기 분급부는,
상하 방향으로 이격되어 있으며 서로 다른 메쉬 사이즈를 가지는 적어도 2개 이상의 분급체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제11항에서,
상기 분쇄 및 분급장치는,
상기 각 분급체의 상부 및 하부에 위치하며 분체공간과 외부를 연통하는 분급 드레인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제12항에서,
상기 분쇄 및 분급장치는,
분쇄물을 상기 분쇄본체에서 상기 분급본체로 공급하는 분쇄물 공급부를 더 포함하는 방법. - 제13항에서,
상기 분쇄물 공급부는,
상기 분쇄공간 내의 분쇄물을 흡입하는 흡입이송유닛과;
상기 분급공간 내에 공급되는 분쇄물의 양을 조절하는 이송조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 방전은 방전용액 내에서 이루어지며,
상기 방전 후, 상기 배터리셀을 탈수하고 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제15항에 있어서,
상기 배터리셀을 얻는 단계는,
상기 배터리모듈 간의 전기적 연결을 제거하는 단계와;
상기 배터리모듈에서 회로기판과 프레임을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 방전 후,
상기 배터리셀을 양극구조체, 음극구조체 및 분리막으로 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제17항에 있어서,
상기 양극구조체는,
알루미늄 호일과;
상기 알루미늄 호일에 고정되어 있는 양극활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 분쇄 및 분급은,
양극활물질은 80%이상 회수되고, 알루미늄은 6%이하 회수되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 양극활물질로 LiNixCoyMnzO2를 사용하는 리튬이온전지 타입의 배터리셀을 복수개 포함하는 하이브리드 자동차용 배터리 팩으로부터 유가금속을 회수하는 방법에 있어서,
상기 폐배터리팩은 전기적으로 연결된 복수의 배터리모듈을 포함하고, 상기 배터리모듈은 전기적으로 연결된 복수의 상기 배터리셀을 포함하며,
상기 폐배터리팩으로부터 수작업으로 상기 배터리모듈을 분리하는 단계와;
상기 배터리모듈로부터 수작업으로 상기 배터리셀을 분리하는 단계와;
상기 배터리셀을 방전시키는 단계와;
상기 배터리셀을 수작업으로 상기 양극활물질을 포함하는 양극구조체, 음극구조체 및 분리막으로 분리하는 단계와;
상기 양극구조체를 분쇄 및 분급하여 유가금속을 회수하는 단계를 포함하며,
상기 분쇄 및 분급에는
분쇄공간을 형성하는 분쇄본체와;
상기 분쇄공간 내에 위치하고 있으며 양극구조체를 분쇄하는 분쇄부와;
분급공간을 형성하는 분급본체와;
상기 분급공간 내에 위치하며 분쇄물을 분급하는 분급부와;
상기 분급체를 진동시키는 진동부를 포함하는 분쇄 및 분급 장치를 사용하는 방법. - 제20항에서,
상기 분쇄부는 상하 방향으로 이격되어 있는 한 쌍의 분쇄날을 포함하며,
상기 분급부는 상하 방향으로 이격되어 있으며 서로 다른 메쉬 사이즈를 가지는 적어도 2개 이상의 분급체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 폐배터리팩으로부터 유가금속을 회수하는 방법에 있어서,
상기 폐배터리팩은 전기적으로 연결된 복수의 배터리모듈을 포함하고, 상기 배터리모듈은 전기적으로 연결된 복수의 배터리셀을 포함하며,
상기 폐배터리팩을 분해하여 배터리셀을 얻는 단계와;
상기 배터리셀을 방전시키는 단계와;
상기 배터리셀로부터 양극구조체를 분리하는 단계와;
상하 방향으로 이격되어 있는 적어도 2개 이상의 분쇄날을 이용하여 상기 양극구조체를 분쇄하여 분쇄물을 얻는 단계와;
상기 분쇄물을 상하 방향으로 이격되어 있으며 서로 다른 메쉬 사이즈를 가지는 적어도 2개 이상의 분급체의 진동에 의해 분급하는 단계를 포함하는 방법. - 제22항에 있어서,
상기 양극구조체는,
알루미늄 호일과;
상기 알루미늄 호일에 고정되어 있는 양극활물질을 포함하며,
상기 분쇄 및 분급은,
양극활물질은 80%이상 회수되고, 알루미늄은 6%이하 회수되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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