KR20130069538A

KR20130069538A - Ｌｉ를 포함하는 벌크 재료의 처리를 위한 방법 및 반응로

Info

Publication number: KR20130069538A
Application number: KR20127011863A
Authority: KR
Inventors: 휴베르트 예거; 요한 다이머
Original assignee: 에스지엘 카본 에스이
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2013-06-26
Also published as: RU2012119547A; WO2011045431A1; BR112012008785A2; MX2012004359A; EP2601323A1; JP2013527306A; US20120247005A1; IN2012DN03114A; WO2011045431A8; DE102009049423A1; CA2776574A1

Abstract

본 발명은 리튬을 포함하는 출발 재료로부터 리튬을 회복하기 위한 방법에 관련된다. 본 발명에 따르면, 출발 재료는 탄소의 직접 유도 가열(direct inductive heating)을 수행함에 의해 반응로에서 탄소로 가열된다.

Description

Ｌｉ를 포함하는 벌크 재료의 처리를 위한 방법 및 반응로{METHOD AND REACTOR FOR PROCESSING BULK MATERIAL CONTAINING Li}

본 발명은 리튬(lithium)을 포함하는 출발 재료(starting material)를 정제(refine)하기 위한 방법 및 그 방법을 수행하기 위한 반응로(reactor)에 관련된다.

리튬 이온의 사용이 크게 증가함에 따라, 리튬에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 동시에, Li 이온 전지를 재활용하기 위한 효율적인 프로세스(process)를 제공할 필요가 있다. 이러한 필요성은 리튬 및 그 화합물의 건강에 대한 해로움 때문에 증폭된다.

Li를 포함하는 전지 폐기물을 정제하고 거기에 포함된 리튬을 재활용(reclaim)하기 위한 종래의 시도는 화학 처리 변형(chemical processing variant)에 집중되었다. 예를 들어, 그러한 방법은 US 6,835,228 또는 US 6,514,311에서 기술되었다. 그러나, 화학물질의 대응하는 양과 연관된 복수의 반응 단계가 이러한 목적을 위하여 요구된다.

본 발명의 목적은, 리튬을 포함하는 출발 재료로부터, 특히 벌크 재료(bulk material)로부터, 특히 리튬 이온 전지로부터 리튬이 재활용될 수 있고, 특히 적은 화학 반응 단계가 필요한, 기술적으로 간단한 방법을 제공하는 것이다.

본 목적은 청구항 제1항에 따른 방법의 모든 특징에 의하여 만족된다. 본 발명에 따른 방법의 추가적인 양상이 종속항 제2항 내지 제13항에서 제시된다.

탄소가 직접적으로 유도 가열(inductively heated)된다는 점에서, 리튬을 포함하는 출발 재료가 탄소를 가지는 반응로에서 가열되는 것이 본 발명에 필수적이다.

리튬의 재활용을 용이하게 하는 높은 온도가 유도 가열에 의해 높은 효율로 생성될 수 있다. 이에 따라 화학적 추출이 불필요하게 된다.

출발 재료는 유리하게 벌크 재료를 포함한다. 벌크 재료는 반응로에 도입되기 쉽고 리튬의 정제 이후에 반응로로부터 제거하기 쉽다. 예를 들어, 전지 폐기물은 벌크 재료로 있을 수 있다. Li를 포함하는 출발 재료는 벌크 재료에 의해 유리하게 형성된다.

출발 재료 및/또는 벌크 재료 내의 리튬은 예를 들어, 유기 및/또는 무기 화합물로서, 금속 형태 및/또는 이온 형태로 있을 수 있다. 이온의 형태로 리튬이 존재할 때, 벌크 재료 내의 탄소는 본 발명에 따른 방법에서 금속성 리튬이 발생하도록 환원제(reductant) 역할을 할 수 있다.

유도 가열의 주파수가 탄소로 결합될 수 있고 추가적인 매체로의 결합의 필요 없이 직접적으로 가열할 수 있는 정도의 전기 전도성을 탄소가 가진다는 점에서, 직접적인 유도 가열이 가능하다. 또한, 반응로의 벽이 가열되어야만 하는 것은 아니며, 이는 반응로 벽을 통한 단지 작은 열 손실 및 이에 따른 방법의 매우 높은 에너지 효율의 결과를 나타낸다.

리튬의 재활용은 벌크 재료로부터 리튬을 제거하는 본 발명의 테두리 안에서 이해되고, 여기서 리튬은 방법이 수행된 이후에는 벌크 재료로부터 분리되어 있다. 이러한 점에서, 리튬은 재활용 이후에 금속 형태로 있어야 하는 것은 아니다. 고농축 형태(high concentrated form), 예를 들어 수산화물(hydroxide)이나 염(salt)과 같이 화합물로 있는 리튬을 가지면 충분하다.

Li를 포함하는 벌크 재료가 본 방법에 의하여 유리하게 정제된다. 정제는, 탄소를 포함하고 이것으로 리튬이 벌크 재료로부터 제거되는 벌크 재료를 처리하는 본 발명의 테두리 내에서 이해되고, 여기서 이러한 처리는 이 벌크 재료가 매립지에 저장될 수 있고/있거나, 자원으로서 재사용될 수 있고/있거나, 환경이나 사람에 대한 위험 없이 연료로서 사용될 수 있는 정도로 수행된다.

바람직하게는, 출발 재료는 리튬 이온을 포함하는 전지로부터의 폐기물을 포함한다. 예를 들어, 그러한 폐기물은, 사용된, 이른바 리튬 이온 축전지(storage battery), 간략히 Li 이온 축전지의 폐기물 처리에서 발생한다.

직접적으로 유도 가열할 수 있는 탄소는 다양한 출처의 것일 수 있다. Li 이온 축전지는 본 발명에 따른 방법을 이용하여 바람직하게 정제되고, 거기에서 리튬 이온은 탄소, 특히 흑연(graphite)에 층간 화합물(intercalation compound)로서 삽입된다(embedded). 이 경우, Li 이온 축전지의 탄소는 스스로 직접적으로 유도 가열될 수 있다.

탄소는 본 발명에 따른 방법에서 사용되는 벌크 재료에 이미 첨가될 수 있고/있거나 방법의 도중에 혼합될 수 있다. 예를 들어, 벌크 재료의 탄소는 비결정성 탄소(amorphous carbon), 천연의 흑연(natural graphite), 합성 흑연(synthetic graphite) 또는 기타 요구되는 임의의 형태로 있을 수 있다. 유도 결합은 탄소의 적어도 일부에서만이라도 이루어질 수 있어야 한다.

유리한 경우에, 출발 재료는 벌크 재료로 형성되어, 벌크 재료는 직접적으로 유도 가열될 수 있는 추가적인 탄소의 첨가 없이 직접적으로 유도 가열될 수 있다. 예를 들어, 이는 흑연 애노드(anode)를 가지는 Li 이온 축전지가 사용되는 경우일 수 있다. 그러한 Li 이온 축전지는 부숴지거나 적어도 기계적으로 열리고 벌크 재료로 사용된다. 시트 금속 재킷(sheet metal jacket)과 같은 방해 구성의 분리는 벌크 재료로 사용되기 전에 수행될 수 있다. 그러나, 단지 몇 센티미터 안 되는 크기를 가지는 상대적으로 작은 축전지가 있다면, 벌크 재료를 가열하기 위하여 상대적으로 높은 유도 주파수가 필요할 수 있다. 또한, 높은 주파수 및 작은 입자 크기로 인한 더 작은 투과 깊이(penetration depth) 때문에, 예컨대 20cm의 직경보다 작은, 매우 작은 크기만을 가지는 반응로를 사용하는 것이 필요할 수 있다.

벌크 재료로의 유도성 장(induction field)의 결합을 용이하게 하는 탄소가 출발 재료에 유리하게 첨가될 수 있다. 이는, 예컨대 금속성 리튬을 포함하는 리튬 전지와 같이, 적은 탄소 내용물을 가지는, Li로 오염된 벌크 재료와 같이, Li를 포함하는 출발 재료를 사용하는 것을 가능하게 한다. 원래 완전히 탄소가 없는 Li로 오염된 출발 재료를 사용하는 것도 가능하다. 이러한 변형에서, 유도 가열이 가능하도록 충분한 탄소가 출발 재료에 첨가되어야 한다.

벌크 재료는 50%보다 많은 중량이 30mm 초과의 입자 크기를 가지는 것, 특히 50%보다 많은 중량이 50mm 내지 150mm 사이의 입자 크기를 가지는 것이 유리하게 사용된다. 그러한 입자의 크기로, 본 발명의 테두리 안에서 유도성 장이 매우 쉽게 벌크 재료로 결합되는 것이 발견된다. 그러한 큰 입자의 크기는, 복잡하고, 따라서 에너지 집중적이고(energy-intensive) 비용 집중적인(cost-intensive) 분쇄 단계(grinding step)가 불필요하고, 상대적으로 굵게 부숴진 벌크 재료가 사용될 수 있다는 장점을 가진다. 언급된 입자 크기는, 벌크 재료에 추가되는/추가될 탄소 및 재활용될 리튬을 가지는 탄소를 포함하는 벌크 재료 둘 다를 가질 수 있다.

그러나, 이러한 점에서, 50mm보다 작은, 특히 30mm보다 작은, 특히 10mm보다 작은 미세한 부분(fine fraction)이 벌크 재료에 남을 수 있다. 먼지로 존재하는 미세한 부분이라도 벌크 재료에 남을 수 있다. 미세한 부분은 굵은 부분(coarse fraction)을 통하여 간접적으로 가열된다. 이는 본 발명에 따른 방법의 수행 이전에 벌크 재료의 굵은 부분 및 미세한 부분의 분리가 불필요하게 만든다.

1kHz 내지 50kHz 사이의 주파수, 특히 1kHz 내지 10kHz 사이의 주파수, 특히 2kHz 내지 5kHz 사이의 주파수를 가지는 유도성 장이 유리하게 생성된다. 이러한 낮은 주파수에서, 큰 반응로 직경이 사용될 수 있도록 유도성 장은 굵은 입자에 특히 쉽게 결합하고 벌크 재료로의 큰 투과 깊이를 가진다.

최고 3000℃까지의 온도가 반응로에서 생산될 수 있다. 이는 반응로에서 탄소로의 유도성 장의 직접 결합에 의해 가능하다. 1100℃보다 높은, 특히 1200℃ 내지 1800℃ 사이인, 특히 1250℃ 내지 1500℃ 사이인, 최고 온도는 반응로에서 바람직하게 설정된다. 1342℃의 끓는점을 가지는 리튬은 이미 1100℃보다 높은, 특히 1200℃보다 높은, 특히 1250℃보다 높은 온도에서 증기압(vapor pressure)을 가지고, 이는 리튬이 기체 상태로 들어가서 출발 재료로부터 제거될 정도로 충분히 높다.

리튬이 정제된 벌크 재료는 그것이 제거될 수 있는 곳으로부터 반응로의 하부 구역(lower zone)으로 유리하게 미끄러질 수 있다. 방법은 그렇게 함으로써 지속적으로 수행될 수 있다. 제거는 푸셔(pusher) 및/또는 분쇄기(crusher)를 사용하여 수행될 수 있다. 제거 이후에, 벌크 재료는 유리하게 하부 구역으로 미끄러진다. 하부 구역은 유도 코일(induction coil)이 없도록 설계될 수 있다. 벌크 재료는 그렇게 함으로써 이 영역에서 냉각될 수 있고 제거 이후에 다루기가 더 좋다. 능동적인 냉각이 추가적으로 제공될 수 있다.

예를 들어, 벌크 재료에서 정제될 Li를 포함하는 전지는, 금속 형태의 전극부(electrode part)로서 있는 추가적인 금속을 포함할 수 있다. 이는 반응로에서 리튬으로부터 정제된 벌크 재료의 제거 이후에, 예를 들어 부선 프로세스(flotation process) 또는 스크리닝(screening)과 같은 밀도 분리 프로세스(density separation process)에 의해 서로로부터 및 벌크 재료로부터 분리될 수 있다.

적어도 일부의 리튬은 유리하게 기체 상태로 전환된다. 이는 출발 재료로부터의 리튬의 제거, 및 리튬의 수송 및 수집을 허용한다.

기체 상태로 전환된 리튬은 액체, 특히 물로 유리하게 침전된다. 이는 리튬의 바인딩(binding) 및 이에 따른 수집을 허용한다.

물은, 상부 구역(upper zone)에서의 기체 공간과 같은, 반응로의 적어도 하나의 구역에서, 액체 형태나 수증기로서 도입될 수 있다. 이는 미립자화(atomization)나 분무화(nebulization)에 의해 일어날 수 있다. 물의 도입은 복수의 기능을 유리하게 충족할 수 있다. 예를 들어, 물은 리튬과 결합하고, 냉각에 기여할 수 있다.

특히 리튬은 물로 수산화 리튬(LiOH)으로 유리하게 전환된다. 독성이 없는 LiOH는, 화학적으로 안정되고 저장하기 쉽다.

정제된 벌크 재료는 제거 이후에 유리하게 재사용될 수 있다. 이는 철강 산업(steel industry)에서의 탄소 첨가(carburization)에서와 같이, 자원 및 연료로 사용될 수 있다.

기체 상태로 전환된 리튬은 액체, 특히 물로 유리하게 침전된다. 기체 화합물의 침전은, 예를 들어, 반응로 공간에 연결된 스크러버 타워(scrubber tower)와 같은 기체 스크러버(gas scrubber)에서, 반응로 공간으로부터 공간적으로 분리되어 유리하게 수행된다.

본 발명의 목적은 청구항 제14항에 따른 반응로의 특징에 의하여 또한 만족된다. 유리한 추가적인 양상은 종속항 제15항 내지 제25항에서 제시된다.

반응로는 탄소 및/또는 탄소를 포함하는 벌크 재료를 직접 유도적으로 가열하기에 적합한 유도 코일을 가진다.

유도 코일은 반응로의 방사상 및/또는 축 방향으로의 미리 정의된 온도 구배(temperature gradient)를 설정하기에 유리하게 적합하다. 온도 구배는 본 발명에 따른 방법을 제어하는데 직접적으로 사용될 수 있다.

유도 코일은 온도 구배 없이 또는 낮은 온도 구배로 출발 재료 및/또는 벌크 재료를 가열하기에 유리하게 적합하다. 특히 100K/m보다 낮은, 특히 50K/m보다 낮은, 특히 30K/m보다 낮은 방사상 온도 구배가 가능하다.

반응로는 높은 온도 저항성 내벽(high temperature resistant inner wall)을 유리하게 가지며, 탄소 및/또는 탄소를 포함하는 벌크 재료를 가열하기 위해 사용되는 주파수에서 유도 코일에 의해 생성되는 유도성 장은 높은 온도 저항성 내벽으로 결합되지 않거나 적어도 결합되기 어렵다. 이는 내벽의 온도 부담을 줄이고 종래의 가열에 비하여 그 기대 수명을 상당히 연장한다.

내벽은 탄소, 산화 내화물(oxidic refractory material), 비산화 내화물(non-oxidic refractory material) 및 샤모트(chamotte)를 포함하는 그룹으로부터의 적어도 하나의 재료를 포함하는 라이닝(lining)을 가질 수 있다.

라이닝은 점토 결합 흑연(clay-bound graphite)을 유리하게 포함한다. 높은 탄소 함량에 불구하고, 점토 결합 흑연은 유도적으로 가열될 수 없는 낮은 전기 전도성을 가진다.

반응로는 상부 구역, 중간 구역(middle zone) 및 하부 구역을 축 방향으로 가지는 반응로 공간을 유리하게 가지고, 반응로는 특히 리튬으로부터 정제될 출발 재료 및/또는 정제될 벌크 재료가 상부 구역에 도입될 수 있고, 중간 구역에는 반응로 주변에 적어도 부분적으로 연장된 유도 코일이 제공되고 정제된 벌크 재료가 하부 구역에 축적되고 그로부터 제거될 수 있도록 설계될 수 있다. 따라서 연속적인 프로세스가 본 반응로로 수행될 수 있다.

반응로는 가능한 높은 처리량을 달성하기 위해 유도 코일의 영역에서 50cm 초과의 직경을 유리하게 갖는다. 직경은 유리하게는 75cm보다 크고, 특히 1m 내지 1.5m 사이이다. 그러한 큰 반응로는 본 발명에 따른 직접적인 유도 가열과 함께 높은 처리량을 허용한다. 출발 재료 또는 벌크 재료는, 낮은 주파수 및 탄소 또는 탄소를 포함한 벌크 재료의 굵은 입자 크기와 함께 유도 가열의 프로세스에 의해 종래의 가열에 의하는 것보다 상당히 더 빨리 가열되고, 이는 에너지 효율적이고 비용 효율적인 처리를 허용한다.

반응로는 하부 구역 및/또는 중간 구역의 하부 영역에서 아래쪽으로 원뿔꼴로 확장될 수 있다. 이는 벌크 재료의 아래쪽으로 미끄러짐을 용이하게 한다.

반응로는 셀 휠 록(cell wheel lock)과 같은 로딩 록(loading lock)을 유리하게 가지고, 이를 통하여 반응로에 출발 재료 및/또는 벌크 재료가 공급될 수 있으며, 로딩 록은 반응로로부터 기체, 특히 기체의 리튬의 제어되지 않은 누출을 방지하기에 적합하다.

또한, 물과 같은 액체를 이용하여 기체 상태로 전환된 리튬을 씻어내는데 적합한, 스크러버 타워와 같은 반응로 공간에 연결된 기체 스크러버가 제공될 수 있다. 기체 상태로부터의 기체의 리튬은 특히 기체 스크러버에서 액체에 의해 결합될 수 있고 낮은 온도 때문에 기체 스크러버에서 응결(condense)할 수 있다. 추가적인 프로세스, 특히 화학 프로세스가 기체 스크러버에서 진행할 수 있다. 예를 들어, 리튬은 리튬 수산화물로 반응할 수 있고, 그 후에 여과될 수 있다.

상부 구역, 중간 구역 및 하부 구역 중 적어도 하나에서 반응로 공간으로 물 및/또는 수증기를 도입하기에 적합한 적어도 하나의 주입 장치가 반응로에 유리하게 제공될 수 있다.

적어도 하나의 유도 코일은 유리하게 냉각된다. 유도성 장이 반응로 벽으로 결합되지 않기 때문에, 후자는 직접적으로 가열되지 않으며 따라서 능동적으로 냉각되어야 하는 것은 아니다. 그러나, 반응로 벽은 대류(convection)에 의해 유리하게 냉각된다.

본 발명의 추가적인 유리한 태양 및 추가적인 양상은 바람직한 실시예 및 연관된 도면을 참조하여 이하에서 설명될 것이다.

이러한 점에서, 도 1은 본 발명에 따른 반응로의 개략도를 도시한다.

본 발명에 따른 반응로(1)는, 실시예에 따라, 1.5m의 직경을 가지는 반응로 공간(2)을 가지고, 이 주위에, 반응로 공간(2)을 적어도 부분적으로 둘러싸고 반응로 공간(2)에 있는 탄소를 포함하는 벌크 재료(4)를 1kHz 내지 50kHz 사이의 주파수에서 1800℃까지의 온도로 가열하기에 적합한 유도 코일(3)이 배열된다. 반응로 공간(2)은 반응로 벽(6)의 높은 온도 저항성 라이닝(5)에 의해 둘러싸인다. 이 실시예에서, 라이닝(5)은 샤모트 벽돌(chamotte brick)을 포함한다. 그러나, 점토 결합 탄소와 같이, 유도 코일(3)에 의해 생성되는 장(field)이 결합하지 않는 모든 기타의 높은 온도 저항성 재료가 적합하다. 반응로(1)는 상부 구역(7), 중간 구역(8) 및 하부 구역(9)을 가진다.

충전 개구(filler opening)(10)가 상부 구역(7)에 제공되고, Li, 탄소, 및 선택적으로 첨가제를 포함하는 출발 재료로서의 벌크 재료(4)가 그것을 통하여 반응로 공간(2)으로 부어질 수 있다. 반응로 공간(2)으로부터의 리튬의 이탈을 방지하기 위하여, 셀 휠 록이 로딩 록(11)으로서 충전 개구(10) 상으로 배치된다.

유도 코일(3)은 중간 구역(8)에 제공된다. 벌크 재료(4)를 분쇄하기 위한 분쇄기로 역할하고/역할하거나 그 제거를 위한 푸셔(23)가 하부 구역(9)에 제공된다.

상부 구역(7)에는 기체 스크러버(14)로 역할하는 스크러버 타워(14)로 반응 공간(2)을 연결하는 연결 부분(13)이 제공된다. 적어도 하나의 물 노즐(nozzle)(15)이 스크러버 타워(14)로 물을 주입하기 위해 스크러버 타워(14)에 제공된다. 수집된 물(17)은 밸브(16)를 통하여 나가게 될 수 있다.

벌크 재료(4)는 탄소 덩어리(lumpy carbon)와 함께 반응로(1)의 동작을 위해 셀 휠 록(11)을 통하여 반응로 공간(2)으로 부어진다. 또한, 벌크 재료(4) 및 추가적인 탄소는 개별적인 구성으로서 첨가될 수 있다. 이 예시에서, 벌크 재료(4)는, 리튬이 흑연에서 층간 화합물로 존재하는 사용한 Li 이온 축전지를 포함한다.

유도성 장이 직접적으로 Li 이온 축전지의 탄소 및 첨가된 탄소로 결합된다는 점에서, 유도 코일(3)은 Li를 포함하는 벌크 재료(4)를 직접적으로 유도 가열한다. 삽입된 리튬 화합물은 가열된 벌크 재료(4)의 탄소를 통하여 또한 가열된다. 벌크 재료에서 비롯된 유기 용매가 가열에 의해 증발되고, 수반하는 부피 증가 때문에, 공기, 즉 산소 및 질소의 공급을 방지한다. 예를 들어, 금속성 리튬의 산화 및 질소의 형성 또한 그렇게 함으로써 방지된다. 용매는 환원 대기를 분해(degrade) 및 생성하고, 이는 벌크 재료의 탄소에 더하여 추가적으로 금속성 리튬으로의 리튬 화합물의 환원에 기여한다. 높은 증기압 때문에 1100℃, 특히 1200℃, 특히 1250℃로부터의 온도에서 액체 상태에서 기체 상태로 이미 변하는 액체 리튬이 중간 구역(8)에서 발생한다.

기체 리튬은 부피의 팽창과 대류로 인하여 연결 부분(13)을 통하여 스크러버 타워(14)로 이동한다. 리튬은 물 노즐(15)로부터 흘러나오는 물에 의하여 냉각되고 액화되고 LiOH로 전환된다. 그렇게 함으로써 부피의 감소가 일어나며, 이는 도 1에서 화살표(18)에 의해 도시된 반응로(2)로부터 스크러버 타워(14)로의 기체의 흐름을 돕는다.

수증기(21)는 리튬의 반응이 반응로 공간으로 이동시키도록 반응로 공간(2)으로의 상부 구역(7)으로 주입될 수 있다.

리튬으로부터 정제된 벌크 재료는 하부 구역(9), 즉 유도 코일(3)의 유효 영역 밖에서 냉각된다. 벌크 재료는 푸셔(23)를 통하여 하부 구역(9)으로부터 제거된다. 탄소를 포함하는 정제된 벌크 재료는 예를 들어 철강 산업에서 탄소 첨가를 위한 자원 또는 연료로 사용될 수 있다.

씻긴 리튬, 특히 수산화물로서 존재하는 리튬은 스크러버 타워(14)의 물(17)과 함께 밸브(16)를 통하여 제거될 수 있다. 대응하는 정제 이후에, 리튬은 임의의 요구되는 통상적인 이용, 예를 들어 Li 이온 전지에 선택적으로 공급될 수 있다.

추가적인 예시에서, 본 발명에 따른 방법은, 50%보다 많은 입자가 30mm 내지 100mm 사이의 크기를 가지는 Li 이온 축전지로부터 비롯된 리튬을 포함하는 벌크 재료를 이용하여 수행된다. 생성된 유도성 장이 이미 전지 폐기물에 매우 쉽게 결합되기 때문에, 추가적인 탄소 덩어리의 첨가는 이 예에서 필요하지 않다.

다른 추가적인 예시에서, Li를 포함하는 전지 폐기물은 탄소가 없이 동작하는 전지만으로부터 비롯된다. 이 경우, 유도성 장은 30mm 내지 150mm 사이의 입자 크기를 가지는 추가적으로 첨가된 탄소 덩어리에만 결합되며, Li를 포함한 전지 폐기물은 간접적으로 유도 가열된다.

따라서 본 발명에 따른 방법 및 반응로의 효율성은 명확히 입증되었다.

설명, 예시 및 청구항에서 언급된 모든 특징은, 임의의 요구되는 조합으로 본 발명에 기여할 수 있다. 리튬은 특히 임의의 선행의 벌크 재료에 있을 수 있고 유도성 장이 결합할 수 있는 탄소는 전지 폐기물 자체에 이미 포함될 수 있고/있거나 추가적으로 벌크 재료에 더해질 수 있다.

Claims

리튬을 포함하는 출발 재료(starting material)로부터 리튬을 재활용하는 방법으로서,
상기 출발 재료는 반응로(reactor)에서 탄소로 가열되고, 상기 탄소는 직접적으로 유도 가열(inductively heated)되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 출발 재료는 벌크 재료(bulk material)를 포함하고, 특히 벌크 재료에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 출발 재료는 직접적으로 유도 가열(inductively heated)하기에 적합한 탄소, 특히 비결정성 탄소(amorphous carbon) 및/또는 흑연(graphite)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
직접적으로 유도 가열하기에 적합한 탄소, 특히 비결정성 탄소 및/또는 흑연이 상기 출발 재료에 첨가되고/첨가되거나 첨가될 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 출발 재료 및/또는 상기 벌크 재료는 리튬 이온을 포함하는 전지로부터의 폐기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
50%보다 많은 중량이 30mm 초과의 입자 크기를 가지는 벌크 재료가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
50%보다 많은 중량이 50mm 내지 150mm 사이의 입자 크기를 가지는 벌크 재료가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
가열이 1kHz 내지 50kHz 사이의, 특히 1kHz 내지 10kHz 사이의, 특히 2kHz 내지 5kHz 사이의 주파수에서 유도적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응로에서 최고 온도가 1100℃ 내지 3000℃ 사이, 특히 1200℃ 내지 1800℃ 사이, 특히 1250℃ 내지 1500℃ 사이로 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 리튬의 적어도 일부는 기체 상태로 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
기체 상태로 전환된 리튬이 액체, 특히 물로 침전되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응로의 적어도 하나의 구역에서 물 및/또는 수증기가 도입, 예를 들어, 미립자화(atomize) 또는 분무(nebulize)되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
리튬은 LiOH로 전환되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 반응로로서,
상기 반응로는 상기 탄소를 직접적으로 유도 가열하기에 적합한 유도 코일(induction coil)을 가지는 반응로.
제14항에 있어서,
상기 유도 코일은 상기 반응로의 방사상 및/또는 축 방향으로의 미리 정의된 온도 구배(temperature gradient)를 설정하기에 적합한 것을 특징으로 하는 반응로.
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 유도 코일은 100K/m보다 낮은, 특히 50K/m보다 낮은, 특히 30K/m보다 낮은 방사상 온도 구배로 상기 출발 재료를 가열하기에 적합한 것을 특징으로 하는 반응로.
제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응로는 높은 온도 저항성 내벽(high temperature resistant inner wall)을 가지고, 상기 벌크 재료를 가열하기 위해 사용되는 상기 주파수에서 상기 유도 코일에 의해 생성되는 유도성 장(induction field)은 상기 높은 온도 저항성 내벽으로 결합되지 않거나 적어도 결합이 어려운 것을 특징으로 하는 반응로.
제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내벽은 탄소, 산화 내화물(oxidic refractory material), 비산화 내화물(non-oxidic refractory material) 및 샤모트(chamotte)를 포함하는 그룹으로부터의 적어도 하나의 재료를 포함하는 라이닝(lining)을 가지는 것을 특징으로 하는 반응로.
제18항에 있어서,
상기 라이닝은 점토 결합 흑연(clay-bound graphite)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응로.
제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응로는 축 방향으로 상부 구역(upper zone), 중간 구역(middle zone) 및 하부 구역(lower zone)을 가지는 반응로 공간을 가지고, 상기 반응로는 특히 벌크 재료가 상기 상부 구역으로 도입될 수 있고, 상기 중간 구역에는 상기 반응로 주변에 적어도 부분적으로 연장된 상기 유도 코일이 제공되고, 정제된 벌크 재료가 상기 하부 구역에 축적되고 그로부터 제거될 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 하는 반응로.
제14항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응로는 상기 유도 코일의 영역에서 50cm 초과의, 특히 75cm 초과의, 특히 1m 내지 1.5m 사이의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 반응로.
제14항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응로는 상기 하부 구역 및/또는 상기 중간 구역의 하부 영역에서 아래쪽으로 원뿔형으로 확장되는 것을 특징으로 하는 반응로.
제14항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응로는 셀 휠 록(cell wheel lock)과 같은 로딩 록(loading lock)을 가지고, 이를 통하여 상기 반응로에 출발 재료, 특히 벌크 재료가 공급될 수 있고, 상기 로딩 록은 상기 반응로로부터 기체, 특히 기체 리튬의 제어되지 않는 누출을 방지하기에 적합한 것을 특징으로 하는 반응로.
제14항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
스크러버 타워(scrubber tower)와 같이, 상기 반응로 공간에 연결된 기체 스크러버(gas scrubber)가 제공되고, 이는 물과 같은 액체로, 기체 상태로 전환된 리튬을 침전하기에 적합한 것을 특징으로 하는 반응로.
제14항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상부 구역, 상기 중간 구역 및 상기 하부 구역 중 적어도 하나에서 상기 반응로 공간으로 물 및/또는 수증기를 도입하기에 적합한 적어도 하나의 주입 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 반응로.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법을 이용하여 정제된 탄소를 포함하는 벌크 재료의 용도로서, 특히 제14항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 반응로를 예를 들어 철강 산업에서 탄소 첨가(carburization)를 위한 자원 또는 연료로서 이용하는 용도.