KR20150086143A - Method of manufacturing electrode active material and cathod active material manufactured by the method - Google Patents

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Abstract

The present invention discloses an electrode active material preparation method. The method includes the steps of: adding the metal oxide included in a secondary battery into a sulfuric acid solution; adding hydrogen peroxide to the sulfuric acid solution including the metal oxide after a predetermined period of time elapses from the previous step; initiating the reaction between the solution including the hydrogen peroxide and an sulfuric acid solution and removing the precipitate produced in the reaction; removing the metal impurities from the solution without the precipitate by using a solvent extraction method; and preparing lithium metal oxide by using the solution without the metal impurities.

Description

전극 활물질을 생산하는 방법 및 그 방법에 의해 생산된 양극 활물질{METHOD OF MANUFACTURING ELECTRODE ACTIVE MATERIAL AND CATHOD ACTIVE MATERIAL MANUFACTURED BY THE METHOD}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of producing an electrode active material and a cathode active material produced by the method. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 전극 활물질을 생산하는 방법 및 그 방법에 의해 생산된 양극 활물질에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐리튬이차전지를 재활용하여 전극 활물질을 생산하는 방법 및 그 방법에 의해 생산된 양극 활물질에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of producing an electrode active material and a cathode active material produced by the method, and more particularly, to a method of producing an electrode active material by recycling spent lithium battery and a cathode active material produced by the method will be.

세계적으로 폐금속 자원은 지속적으로 증가하고 있으나, 그 재활용은 저조하여 환경오염 및 자원낭비를 초래하고 있다. 이에 따라 폐금속 자원에 대한 활용에 대한 관심이 높아졌고, 그 중에서도 폐전지를 재활용하기 위한 기술 개발이 지속되어 왔다.Worldwide, the amount of waste metal resources is steadily increasing, but its recycling is low, resulting in environmental pollution and waste of resources. As a result, interest in utilization of waste metal resources has increased, and technology for recycling waste batteries has been developed.

폐망간전지, 폐알칼리망간전지, 폐산화은전지 등은 현재 미국, 일본, 유럽 등에서 상업화된 재활용공장이 가동중에 있으나, 폐리튬 이차전지는 폭발성의 문제로 극히 제한적으로 재활용되고 있다.Waste manganese batteries, waste alkaline manganese batteries, and waste oxidized batteries are currently in operation in recycling plants in the US, Japan and Europe. However, waste lithium secondary batteries are being recycled to an extremely limited extent due to the explosion problem.

국내의 몇몇 소규모 업체에선 구리 등의 금속과 리튬산화코발트의 회수에 대한 연구와 사업성 검토가 이루어지고 있으나 기술력이 부족하여 진전이 없는 상태였다. 현재 국내에서는 폐리튬이온전지의 재활용을 위한 처리공정의 상용화연구를 추진하였으며, 폐리튬이온전지로부터 양극활물질을 선택적으로 분리농축하기 위한 물리적 공정과 코발트 희유금속의 회수율을 극대화시킬 수 있는 화학적 처리공정을 개발하고자 몇몇 업체들이 노력하고 있었으나, 회수율 및 순도가 저조하다는 문제점이 있었다.Some small domestic companies have studied the feasibility of recovering metals such as copper and cobalt oxide and their feasibility, but they have not progressed due to lack of technology. At present, we are conducting research on the commercialization of recycling process of waste lithium ion battery in Korea. We have developed a physical process for selectively separating and separating cathode active material from waste lithium ion battery and a chemical treatment process for maximizing the recovery rate of cobalt rare metal Some companies have been trying to develop the catalyst, but the yield and purity are low.

리튬 이차전지 양극소재 시장은 2018년 이후 전기차용(EV) 리튬 이차전지가 시장을 견인할 것으로 예측되며, 그중 NMC 계열이 주축이 될 것으로 판단된다. 또한 한국업체의 리튬 이차전지 시장 점유율이 2020년 54%로 급격하게 증가할 것으로 예측되는바, 폐이차전지 NMC 양극소재에서 Cobalt와 Nickel 등을 리사이클링하는 기술 개발이 매우 중요하다. 이러한 점에서 특히, 이차전지 양극활물질로 재활용할 수 있는 수준의 회수기술과 방법에 대한 필요성이 증대되었다.The lithium secondary battery cathode material market is expected to lead the market for lithium-ion rechargeable batteries (EV) since 2018, of which NMC is expected to be the mainstay. In addition, it is very important for Korean companies to recycle Cobalt and Nickel from the anode materials of the rechargeable battery NMC, as the market share of the lithium rechargeable battery market is expected to increase sharply to 54% by 2020. In this regard, there is a growing need for recovery techniques and methods that can be recycled into secondary battery cathode active materials.

본 발명은 상술한 필요성에 따른 것으로, 본 발명의 목적은 폐리튬이차전지를 재활용하여 전극 활물질을 생산하는 방법 및 그 방법에 의해 생산된 양극 활물질을 제공함에 있다.It is an object of the present invention to provide a method for producing an electrode active material by recycling spent lithium secondary battery and a cathode active material produced by the method.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 활물질을 생산하는 방법은, 이차전지에 포함된 금속산화물을 황산 수용액에 투입하는 단계, 상기 투입 단계 이후에 기설정된 시간이 경과하면, 상기 금속 산화물이 투입된 황산 수용액에 과산화 수소를 투입하는 단계, 상기 과산화 수소가 투입된 용액을 염기성 용액과 반응시키고, 상기 반응에 의해 생성된 침전물을 제거하는 단계, 용매 추출 방식으로 상기 침전물이 제거된 용액에서 금속 불순물을 제거하는 단계,및 상기 금속 불순물이 제거된 용액을 이용하여 리튬 금속 산화물을 생산하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of producing an electrode active material, the method including: inputting a metal oxide contained in a secondary battery into an aqueous solution of sulfuric acid; , Introducing hydrogen peroxide into the aqueous sulfuric acid solution into which the metal oxide has been introduced, reacting the hydrogen peroxide-introduced solution with a basic solution, removing the precipitate produced by the reaction, removing the precipitate by a solvent extraction method Removing metal impurities from the solution, and producing the lithium metal oxide using the solution from which the metal impurities have been removed.

이 경우, 상기 이차전지는, 폐기된 리튬이차전지 또는 적어도 한번 이상 충 방전이 수행된 리튬이차전지일 수 있다.In this case, the secondary battery may be a discarded lithium secondary battery or a rechargeable lithium secondary battery at least once.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 활물질을 생산하는 방법은, 상기 이차전지의 집전체에 도포된 양극 물질을 상기 집전체로부터 분리시키는 단계 및 상기 분리된 양극 물질을 분쇄하여 분말로 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 금속산화물을 황산 수용액에 투입하는 단계는, 상기 금속산화물이 포함된 상기 분말을 황산 수용액에 투입하는 단계일 수 있다.Meanwhile, a method of producing an electrode active material according to an embodiment of the present invention includes separating a positive electrode material applied to a current collector of the secondary battery from the current collector, and pulverizing the separated positive electrode material to form a powder Wherein the step of introducing the metal oxide into the aqueous sulfuric acid solution may include the step of injecting the metal oxide-containing powder into the aqueous sulfuric acid solution.

한편, 상기 용매 추출 방식으로 금속 불순물을 제거하는 단계는, D2EHPA(Di(2-ethylhexyl) phosphoric acid)를 이용하여 상기 침전물이 제거된 용액에서 금속 불순물을 제거하는 제1 용매 추출 단계; 및 상기 제1 용매 추출 단계 이후, C272(Bis (2, 4, 4-trimethylpentyl phosphinic acid)를 이용하여 상기 침전물이 제거된 용액에 잔존하는 금속 불순물을 제거하는 제2 용매 추출 단계를 포함할 수 있다.Meanwhile, the step of removing metal impurities by the solvent extraction method includes a first solvent extraction step of removing metal impurities from a solution in which the precipitates are removed by using D2EHPA (Di (2-ethylhexyl) phosphoric acid); And a second solvent extraction step of removing metal impurities remaining in the solution from which the precipitate has been removed by using C272 (bis (2,4, 4-trimethylpentyl phosphinic acid) after the first solvent extraction step .

한편, 상기 용매 추출 방식으로 금속 불순물을 제거하는 단계는, 상기 침전물이 제거된 용액에 포함된 Zn, Al, Cu, Mn 및 Mg 중 적어도 하나의 금속 불순물을 상기 용매 추출제로 추출하는 단계일 수 있다.Meanwhile, the step of removing metal impurities by the solvent extraction method may include extracting at least one metal impurity of Zn, Al, Cu, Mn and Mg contained in the solution from which the precipitate has been removed with the solvent extracting agent .

한편, 상기 금속 불순물이 제거된 용액은 고 농도의 황산코발트 용액이며, 상기 리튬 금속 산화물을 생산하는 단계는, 상기 고 농도의 황산 코발트 용액과 옥살산을 혼합하는 단계 및 상기 혼합으로 발생된 침전물과 수산화 리튬 또는 리튬 카보네이트을 혼합한 후, 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.Meanwhile, the solution in which the metal impurities are removed is a high concentration cobalt sulfate solution, and the step of producing the lithium metal oxide comprises mixing the high concentration cobalt sulfate solution with oxalic acid, Mixing lithium or lithium carbonate, and then heat-treating the mixture.

한편, 상기 금속산화물은 LiCoO2 또는 LiNiO2를 포함할 수 있다.Meanwhile, the metal oxide may include LiCoO 2 or LiNiO 2 .

한편, 상기 금속 산화물이 투입된 황산 수용액 또는 상기 과산화 수소가 투입된 용액은, 코발트 이온, 리튬 이온, 망간 이온, 아연 이온 및 구리 이온 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Meanwhile, the aqueous sulfuric acid solution into which the metal oxide has been introduced or the solution into which the hydrogen peroxide has been introduced may contain at least one of cobalt ion, lithium ion, manganese ion, zinc ion and copper ion.

한편, 상기 침전물이 제거된 용액은, Zn, Al, Cu 및 Mn중 적어도 하나의 금속 불순물을 포함할 수 있다.Meanwhile, the solution from which the precipitate is removed may contain at least one metal impurity such as Zn, Al, Cu, and Mn.

이상과 같은 다양한 실시 예에 의하면, 폐리튬이차전지로부터 높은 회수율로 양극 활물질을 얻을 수 있다.According to the various embodiments as described above, the cathode active material can be obtained from the spent lithium secondary battery at a high recovery rate.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 활물질을 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 2 내지 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용매추출의 실험 결과,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 전극 활물질 원료의 X-선 회절 분석 결과,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 활물질 생산 방법에 의해 리튬코발트옥사이방(LiCoO2)가 얻어졌는지를 확인하기 위한 X-선 회절 분석 결과,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 활물질 생산 방법에 따라 얻은 리튬코발트옥사이드(LiCoO2)의 형상을 보여주는 그림, 그리고
도 7 내지 도 8 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 활물질 생산 방법에 따라 얻어진 전극 활물질의 전기화학적 특성 평가 결과이다.
1 is a flow chart for explaining a method of manufacturing an electrode active material according to an embodiment of the present invention;
2 to 3 are graphs showing experimental results of solvent extraction according to an embodiment of the present invention,
FIG. 4 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of the electrode active material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis to determine whether lithium cobalt oxyanion (LiCoO 2 ) was obtained by the electrode active material production method according to an embodiment of the present invention,
6 is a view showing the shape of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) obtained according to an electrode active material production method according to an embodiment of the present invention, and
7 to 8 are electrochemical characteristics evaluation results of the electrode active material obtained according to the method of producing an electrode active material according to an embodiment of the present invention.

이하에선, 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 활물질을 생산하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 1 is a flowchart illustrating a method of producing an electrode active material according to an embodiment of the present invention.

본 전극 활물질 생산 방법에 의하면, 여러 번의 충 방전이 수행된 후 폐기된 폐리튬이차전지가 사용될 수 있다. 폐리튬이차전지는 전지로서 수명은 다하였지만, 코발트, 니켈, 아연, 망간, 리튬 등의 유가 금속을 포함하고 있다. 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 니켈 또는 리튬과 같은 유가 금속을 폐리튬이차전지의 전극물질로부터 높은 회수율로 회수하여 새로운 전극 활물질을 생산할 수 있으므로 자원의 재활용 효과가 크다.According to the present method for producing an electrode active material, a waste lithium secondary battery that has been discarded after several charge and discharge operations can be used. The spent lithium battery is a battery that has a full life span but contains valuable metals such as cobalt, nickel, zinc, manganese, and lithium. According to various embodiments of the present invention, a valuable metal such as nickel or lithium can be recovered from the electrode material of a spent lithium secondary battery at a high recovery rate, thereby producing a new electrode active material, which has a great effect of recycling resources.

도 1을 참고하면 먼저, 이차전지의 집전체에 도포된 전극 물질을 집전체로부터 분리한다(S110). 이차전지에 물리적 충격을 가하거나, 전극 물질을 집전체에 고정시키기 위해 사용된 접작체를 용해시키는 방식 등 다양한 방식에 의하여 전극 물질을 집전체로부터 분리할 수 있다. 여기서 전극 물질이란 양극 활물질 또는 음극 활물질을 의미한다.Referring to FIG. 1, the electrode material applied to the current collector of the secondary battery is separated from the current collector (S110). The electrode material can be separated from the current collector by various methods such as physical shock to the secondary battery or dissolution of the electrode material used for fixing the electrode material to the current collector. Here, the electrode material means a positive electrode active material or a negative electrode active material.

분리된 전극 물질은 이후 단계에서 그 자체로 다음 단계에서 이용될 수 있으나, 믹서기 혹은 볼 밀링 방식 등에 의해 분쇄되어 분말 형태로도 이용될 수 있다.The separated electrode material may be used in the next step as it is in the subsequent step, but it may be used in the form of powder by being pulverized by a blender or a ball milling method.

그 다음으로, 분리된 전극 물질에 포함된 금속산화물을 황산 수용액을 이용하여 침출하는 공정을 수행한다(S120). 구체적으로, 앞선 단계에서 분리된 전극 물질을 황산 수용액에 투입한다. 투입 후 일정 시간이 지나면, 전극 물질 내에 있던 금속 산화물이 황산 수용액에 의해 용해되어 침출된다.Next, a process of leaching the metal oxide contained in the separated electrode material using an aqueous sulfuric acid solution is performed (S120). Specifically, the electrode material separated in the preceding step is introduced into the aqueous sulfuric acid solution. After a certain period of time after the addition, the metal oxide in the electrode material is dissolved and leached by the aqueous sulfuric acid solution.

금속 산화물의 침출량은 산의 양, 침출 시간 또는 온도 등에 의해 가변될 수 있는데, 특히 코발트의 침출량을 높이기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 황산과 함께 과산화수소수가 더 투입될 수 있다. 과산화수소수를 더 투입하는 경우, 황산과 과산화수소수의 투입 순서, 투입 시간 등을 조절한다면 코발트 침출량을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 황산 수용액으로 먼저 금속 산화물을 침출시킨 다음에, 기 설정된 시간이 지난 후 과산화 수소를 황산 수용액에 더 투입하여 코발트의 침출량을 증가시킬 수 있다.The leaching amount of the metal oxide may vary depending on the amount of the acid, the leaching time or the temperature. In particular, in order to increase the leaching amount of the cobalt, hydrogen peroxide can be added together with sulfuric acid according to an embodiment of the present invention. When the hydrogen peroxide solution is further added, the amount of cobalt leached can be increased by controlling the order of addition of sulfuric acid and hydrogen peroxide, and the time of addition. According to an embodiment of the present invention, after the metal oxide is first leached into the aqueous sulfuric acid solution, the hydrogen peroxide may be further injected into the aqueous sulfuric acid solution after a predetermined period of time to increase the leaching amount of the cobalt.

그 다음 공정으로, 금속 산화물이 침출된 산성 용액을 중화 시킨다(S120). 구체적으로, 금속산화물이 침출된 산성 용액에는 CoSO4, Li2So4, NiSO4, MgSO4 등과 같은 다양한 금속 황화물이 용해되어 있다. 이러한 금속 황화물이 용해된 용액에 염기성 물질을 투입하여 pH를 조절하게 되면, 코발트를 제외한 대부분의 금속 불순물을 침전시킬 수 있다. 이때 염기성 물질로서 가성 소다(수산화 나트륨)를 사용할 수 있다. In the next step, the metal oxide is neutralized with the leached acidic solution (S120). Specifically, various metal sulfides such as CoSO 4 , Li 2 So 4 , NiSO 4 , and MgSO 4 are dissolved in the acid solution in which the metal oxide is leached. When the pH is controlled by adding a basic substance to the solution in which the metal sulfide is dissolved, most metal impurities except cobalt can be precipitated. At this time, caustic soda (sodium hydroxide) can be used as a basic substance.

침전된 물질은 여과 등의 방식에 의하여 제거할 수 있다. 한편, 침전된 물질이 제거된 나머지 용액에는 다량의 코발트뿐만 아니라 미량의 금속 불순물도 함께 포함되어 있을 수 있으므로, 코발트 순도를 높이기 위해선 금속 불순물만을 분리하는 것이 요구된다.The precipitated substance can be removed by filtration or the like. On the other hand, since the remaining solution from which precipitated substances are removed may contain not only a large amount of cobalt but also a small amount of metal impurities, it is required to separate only metal impurities in order to increase cobalt purity.

금속 불순물을 제거하여 순도 높은 코발트를 얻기 위하여, 용매 추출 단계가 더 수행될 수 있다(140). 구체적으로, 이 단계에선, 중화 단계에서 침전된 물질을 제거하고, 남은 용액에 용매 추출제를 투입하여 용매 추출 방식으로 나머지 금속 불순물을 제거할 수 있다. In order to remove metal impurities and obtain high purity cobalt, a solvent extraction step may be further performed (140). Specifically, in this step, the precipitated material is removed in the neutralization step, and the solvent extractant is added to the remaining solution to remove the remaining metal impurities by a solvent extraction method.

용매 추출 방식이란, 용매 추출제를 사용하여 고체 또는 액체 중에서 성분물질의 1종(때로는 2종 이상)을 용해시켜 분리시키는 것을 의미한다. 주로 희유 금속의 회수, 분리하기 어려운 물질의 분리 등에 활용된다. 장치 면에는 혼합조와 분리조를 사용하는 회분방식, 연속탑식의 향류 다단 방식 등이 있다. 금속을 추출하기 위한 용매 추출제는 예를 들어, D2EHPA(Di(2-ethylhexyl) phosphoric acid) 또는 C272(Bis (2, 4, 4-trimethylpentyl phosphinic acid)등이 있다.The solvent extraction method means to dissolve one kind (sometimes two or more kinds) of constituent substances in a solid or a liquid by using a solvent extracting agent to separate them. It is mainly used for recovering rare metals and for separating difficult materials. There are batch systems using mixer and separator, and countercurrent multi-stage system of continuous tower. Examples of the solvent extractant for extracting metals include D2EHPA (Di (2-ethylhexyl) phosphoric acid) or C272 (Bis, 2,4-trimethylpentyl phosphinic acid).

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 용매 추출단계는 D2EHPA를 이용하는 제1 용매 추출단계와 C272를 이용하는 제2 용매 추출단계를 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the solvent extraction step may comprise a first solvent extraction step using D2EHPA and a second solvent extraction step using C272.

구체적으로, 제1 용매 추출 단계에선, 중화 공정 후 침전된 물질이 제거된 용액에서 Zn, Al, Cu, Mn 과 같은 불순물을 제거하기 위해 D2EHPA을 용액에 투입한 후 교반한다. 일정 시간이 지난 후, 금속 불순물은 D2EHPA 용액에 용해되고, D2EHPA 용액과 함께 추출되어 제거될 수 있다. Specifically, in the first solvent extraction step, D2EHPA is added to the solution to remove impurities such as Zn, Al, Cu, and Mn from the solution in which the precipitated substance has been removed after the neutralization step, followed by stirring. After a certain period of time, metal impurities dissolve in the D2EHPA solution and can be extracted and removed with the D2EHPA solution.

제2 용매 추출 단계에선, 제1 용매 추출단계에서 미처 제거되지 못한 금속 불순물을 2차적으로 제거할 수 있다. 구체적으로, C272을 제1 용매 추출단계로부터 얻어진 용액에 투입한 후, 제1 용매 추출단계와 마찬가지로 추출하여 잔존하는 불순물을 제거한다. 특히 제2 용매 추출단계에선 제1 용매 추출단계에서 완전히 제거되지 않았던 Mg나 Ni이 제거될 수 있다. 또한 이상과 같은 용매 추출 단계를 반복 수행하여 용액 내의 코발트 순도를 더 높일 수 있다.In the second solvent extraction step, metal impurities that have not been removed in the first solvent extraction step can be removed secondarily. Specifically, C272 is added to the solution obtained from the first solvent extraction step, and the remaining impurities are removed by extraction in the same manner as in the first solvent extraction step. Particularly in the second solvent extraction step, Mg or Ni which has not been completely removed in the first solvent extraction step can be removed. Further, the above-described solvent extraction step can be repeated to further increase the cobalt purity in the solution.

그 다음 공정으로, 금속 불순물이 제거된 용액을 이용하여 양극 활물질을 생산한다(S150). 구체적으로, 용매 추출단계를 통해 금속 불순물이 제거된 용액은 고 농도의 황산 코발트 용액이고, 황산 코발트를 이용하여 양극 활물질인 LiCoO2를 생산할 수 있다. 황산 코발트로부터 LiCoO2를 생산하는 것은 종래 다양한 기술을 통해 이루어질 수 있다. 그 중, 일 예를 설명하자면, 다음과 같다.In the next step, a cathode active material is produced using a solution from which metal impurities are removed (S150). Specifically, the solution from which metal impurities are removed through the solvent extraction step is a cobalt sulfate solution of high concentration, and LiCoO 2 , which is a cathode active material, can be produced using cobalt sulfate. The production of LiCoO 2 from cobalt sulfate can be accomplished through various conventional techniques. Among them, an example is as follows.

먼저 황산 코발트 용액과 옥살산을 일정 비율로 혼합하고, 일정 시간이 경과하면 황산 코발트와 옥살산의 반응에 의한 침전물이 발생한다. 발생한 침전물을 증류수로 세척한 후 고온에서 건조한 후, 건조한 시료를 산소분위기에서 열처리한다. 이 열처리를 통해 Co3O4를 얻을 수 있고, 얻어진 Co3O4를 수산화 리튬 또는 리튬 카보네이트을 혼합한 후, 열처리하여 순도 높은 리튬코발트옥사이드(LiCo3O2)를 생산할 수 있다.First, the cobalt sulfate solution and oxalic acid are mixed at a certain ratio, and after a certain period of time, precipitates are formed by the reaction of cobalt sulfate and oxalic acid. After washing the precipitate with distilled water and drying at high temperature, heat the dried sample in an oxygen atmosphere. Through this heat treatment, Co 3 O 4 can be obtained, and the obtained Co 3 O 4 can be mixed with lithium hydroxide or lithium carbonate and then heat-treated to produce lithium cobalt oxide (LiCo 3 O 2 ) having high purity.

이하에선, 구체적인 실험 예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 이는 여러 실시 가능한 구성 중의 예들일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific experimental examples. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto.

[실험 예][Experimental Example]

폐리튬이차전지의 집전체에 양극물질이 도포된 부분을 물리적으로 탈리시킨다. 그리고 탈리된 양극물질을 분쇄하여 분말형태로 얻는다.The portion of the collector of the spent lithium secondary battery coated with the positive electrode material is physically removed. Then, the separated positive electrode material is pulverized and obtained in powder form.

분말형태의 양극 물질에 포함된 금속을 용해시키기 위하여, 분말을 황산 용액에 투입한다. 이때 황산의 양은 양극물질에 포함되어 있을 것으로 예상되는 여러 가지 금속물질이 황산과 반응했을 때의 반응식을 이용하여 결정하였다. In order to dissolve the metal contained in the positive electrode material in powder form, the powder is put into a sulfuric acid solution. At this time, the amount of sulfuric acid was determined by using a reaction formula when various metal substances expected to be contained in the cathode material reacted with sulfuric acid.

표 1은 분쇄된 원료 물질(양극 물질 분말) 100g에 포함되어 있는 금속산화물을 침출시키기에 필요한 황산의 량을 화학반응식을 통해 결정한 값을 나타낸 표이다. Table 1 is a table showing the amount of sulfuric acid necessary for leaching the metal oxide contained in 100 g of the pulverized raw material (anode material powder) through the chemical reaction formula.

표 1Table 1

Figure pat00001
Figure pat00001

표1에 정리한 바와 같이, 원료 물질 100g에 포함되어 있는 금속산화물을 침출시키기 위해 필요한 황산은 151.3g으로 결정되었다. 본 실험 예에서는 원료 물질 100g에 황산 150g과 물 300cc를 투입하여 금속산화물을 침출하였다.As summarized in Table 1, the sulfuric acid required for leaching the metal oxide contained in 100 g of the raw material was determined to be 151.3 g. In this Experimental Example, 150 g of sulfuric acid and 300 cc of water were added to 100 g of the raw material to leach the metal oxide.

황산을 이용하여 금속산화물을 침출시키기 위한 최적의 조건을 도출하기 위하여 먼저 황산의 양과 침출 시간을 변수로 실험을 하였다.In order to determine the optimal conditions for leaching metal oxides using sulfuric acid, the amount of sulfuric acid and the leaching time were experimentally measured.

침출 시간을 증가시킬수록 본 실험 예의 주된 목적인 코발트의 침출량은 증가하였으나 4시간 이후에는 큰 변화가 없었고, 황산량을 150g 이상으로 증가시켜도 코발트의 침출량에는 변화가 거의 없었다. 따라서 원료 물질에서 금속산화물을 침출시키기 위해 필요한 황산의 양과 침출 시간은 황산 150g 그리고 침출 시간 4시간 이상이었다. 이때 코발트의 침출율은 대략 45% 정도였다.As the leaching time increased, the main purpose of this experiment was to increase the leaching amount of cobalt, but there was no significant change after 4 hours and the leaching amount of cobalt was not changed even when the amount of sulfuric acid was increased to 150 g or more. Therefore, the amount of sulfuric acid and the leaching time required for leaching metal oxide from the raw material were 150 g of sulfuric acid and the leaching time was 4 hours or more. At this time, the leaching rate of cobalt was about 45%.

상기 실험에서 황산만으로는 코발트의 침출량을 높이는데는 한계가 있었기 때문에 과산화수소를 황산과 함께 투입하였다. 이때의 변수로는 황산과 과산화수소의 투입순서, 반응온도, 반응시간을 변수로 하였다. 과산화수소의 양은 과산화수소와 산화코발트의 반응식을 통해 결정하였다.In the above experiment, hydrogen peroxide was added together with sulfuric acid because sulfuric acid alone had a limitation in raising the amount of cobalt leached. The order of addition of sulfuric acid and hydrogen peroxide, reaction temperature, and reaction time were used as variables at this time. The amount of hydrogen peroxide was determined by the reaction equation of hydrogen peroxide and cobalt oxide.

결정된 최적의 조건은 원료 물질 100g에 대해 황산 150g, 과산화수소 64g, 반응온도 95oC, 그리고 반응시간은 황산을 먼저 투입하여 4시간 반응시킨 다음 과산화수소를 투입하여 4시간 반응시킨 것이 가장 코발트 침출율이 높았으며, 이때 코발트의 침출율은 99.7%였다.
The optimal conditions for the determination of the optimum cobalt content were 100 g of sulfuric acid, 64 g of hydrogen peroxide, a reaction temperature of 95 ° C, and a reaction time of 4 hours. The leaching rate of cobalt was 99.7%.

다음 단계는 중화공정단계이다. The next step is the neutralization process step.

중화공정단계는, 가성소다를 이용하여 pH를 조절함으로써, 침출 단계에서 용해된 금속산화물들 중에서 코발트를 제외한 다른 금속, 즉 코발트를 제외한 불순물을 공침시켜 제거하는 단계이다.The neutralization step is a step of coprecipitating impurities excluding the metal other than cobalt, that is, cobalt, out of the metal oxides dissolved in the leaching step by adjusting the pH using caustic soda.

중화공정단계에서의 변수는 가성소다의 양, 교반 시간, 교반 온도이다. The variables in the neutralization step are the amount of caustic soda, the stirring time, and the stirring temperature.

최적의 조건은 가성소다 12.5% 교반시간 45분, 교반온도 50oC일 때 얻을 수 있었다. 이때의 공침율은 Co 1.2%, Ni 0.8%, Fe 100%, Al 96.7%, Zn 99.4%, Cu 99.5%였다. 코발트도 1.2% 공침되었지만 대부분의 불순물은 공침되어 제거할 수 있었다. 단, Ni의 공침율이 0.8%밖에 공침되지 않았기 때문에 다음 단계를 통해 Ni과 남아있는 미량의 불순물을 제거하기 위한 용매추출을 실시하였다.
Optimum conditions were obtained with caustic soda 12.5% stirring time 45 min and stirring temperature 50oC. At this time, the co-deposition rates were Co 1.2%, Ni 0.8%, Fe 100%, Al 96.7%, Zn 99.4% and Cu 99.5%. Cobalt also coprecipitated at 1.2%, but most of the impurities were coprecipitated. However, since the co-deposition rate of Ni was only 0.8%, the solvent extraction was performed to remove Ni and remaining trace impurities through the next step.

다음은 용매추출단계이다.The following is the solvent extraction step.

용매추출단계에서는 중화공정단계에서 공침된 물질을 제거하고 남은 용액에 D2EHPA와 C272를 차례로 이용하여 불순물을 추출하였다. In the solvent extraction step, the coprecipitated material was removed from the neutralization step, and impurities were extracted by using D2EHPA and C272 successively in the remaining solution.

도 2와 도 3은 D2EHPA와 C272를 이용한 용매추출의 실험결과이다. 이 실험에서 교반시간과 교반온도는 5분과 상온이었고 pH를 조절하였다. 도 2에서 나타난 것처럼 pH가 증가할수록 Zn, Al, Cu, Mn과 같은 불순물들이 많이 추출되는 것을 확인하였다. 또한 Co도 일부 용매추출되는 것이 관찰되었으나 이 용액은 여러 차례의 재활용을 통해 Co 회수율을 높일 수 있다. 2 and 3 are experimental results of solvent extraction using D2EHPA and C272. In this experiment, stirring time and agitation temperature were 5 minutes and room temperature and pH was controlled. As shown in FIG. 2, it was confirmed that a large amount of impurities such as Zn, Al, Cu, and Mn were extracted as the pH was increased. Also, it was observed that some of the Co was extracted by the solvent, but this solution can increase the Co recovery rate through recycling several times.

도 3은 C272를 이용하여 불순물을 용매추출한 결과이다. pH에 따라 Co도 용매추출되지만, D2EHPA를 이용한 공정에서 완전히 제거되지 않았던 Mg와 Ni가 제거되는 것을 확인할 수 있었다.3 shows the result of solvent extraction of impurities using C272. It was confirmed that Mg and Ni, which were not completely removed by the process using D2EHPA, were removed by solvent extraction of Co according to pH.

표 2는 용매추출 단계 후 성분분석을 한 결과이다. 대부분의 불순물은 검출되지 않았고 단지 Mg와 Na가 조금 검출되었으나 검출된 낮은 함량은 이어서 실험될 양극활물질제조에 전혀 영향을 미치지 않을 정도의 값이다. 결과적으로 아주 순수한 코발트황화물을 얻었다.Table 2 shows the results of the component analysis after the solvent extraction step. Most of the impurities were not detected, only Mg and Na were slightly detected, but the detected low contents were such that they had no influence on the production of the cathode active material to be tested. As a result, very pure cobalt sulfide was obtained.

표 2Table 2

Figure pat00002

Figure pat00002

다음 단계로, 용매추출 단계를 통해 얻은 고 농도의 황산코발트 용액을 이용하여 이차전지 양극활물질인 리튬코발트옥사이드를 제조하였다.As a next step, lithium cobalt oxide, which is a cathode active material of a secondary battery, was prepared using a high concentration of cobalt sulfate solution obtained through the solvent extraction step.

리튬코발트옥사이드를 제조하는 과정은 다음과 같다. 먼저 황산코발트 용액과 옥살산을 1 대 1.3의 비율로 혼합 후, 혼합으로 발생된 침전물을 거른다. 그 침전물을 증류수로 세척한 후 24시간 동안 60oC에서 12시간 건조한다. 건조한 시료를 산소분위기에서 5시간동안 350oC에서 열처리 한다. 이 열처리를 통해 Co3O4를 얻을 수 있다. The process for preparing lithium cobalt oxide is as follows. First, the cobalt sulfate solution and oxalic acid are mixed at a ratio of 1: 1.3, and the precipitate formed by mixing is filtered. The precipitate is washed with distilled water and dried for 24 hours at 60 ° C for 12 hours. Dry samples are heat treated at 350 ° C for 5 hours in an oxygen atmosphere. Through this heat treatment, Co 3 O 4 can be obtained.

이때 순수한 Co3O4를 제조하여야만 최종 양극물질인 리튬코발트옥사이드를 얻을 수 있기 때문에 X-선 회절분석을 통해 Co3O4제조 여부를 확인하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 비교를 위해 Co3O4의 국제규격인 JCPDS의 X-선 회절 결과(도 4에 “Co3O4-Ref”로 표기 함)도 함께 도 4에 나타내었다. 도 4를 통해 확인할 수 있듯이 순수한 Co3O4제가 얻어진 것을 확인할 수 있다.Since pure cobalt oxide, which is the final cathode material, can be obtained only by preparing pure Co 3 O 4 , it is confirmed by X-ray diffraction analysis whether or not Co 3 O 4 is prepared, and the result is shown in FIG. For comparison, the X-ray diffraction results of JCPDS, an international standard for Co 3 O 4 (denoted as "Co 3 O 4 -Ref" in FIG. 4) are also shown in FIG. As can be seen from FIG. 4, it can be seen that pure Co 3 O 4 was obtained.

마지막으로 리튬이차전지 양극활물질인 리튬코발트옥사이드를 얻기 위한 공정으로 앞서 제조한 Co3O4과 Li2CO3를 혼합하여 산소분위기에서 10시간 동안 900oC에서 열처리하였다. 순수한 리튬코발트옥사이드(LiCoO2)가 얻어졌는지를 확인하기 위해 X-선 회절분석을 하였으며, 비교를 위해 JCPDS의 X-선 회절결과(도 5에서 “LiCoO2-Ref”로 표기함)와 함께 도 5에 나타내었다. 도 5에서 볼 수 있듯이 순수한 리튬코발트옥사이드(LiCoO2)를 얻었다.Finally, the previously prepared Co 3 O 4 and Li 2 CO 3 were mixed and heat-treated at 900 ° C for 10 hours in an oxygen atmosphere to obtain lithium cobalt oxide as a cathode active material for a lithium secondary battery. X-ray diffraction analysis was carried out to confirm that pure lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) was obtained. For comparison, the results of X-ray diffraction of JCPDS (labeled "LiCoO 2 -Ref" in FIG. 5) Respectively. As shown in FIG. 5, pure lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) was obtained.

도 6은 이상에서 설명한 공정을 통해 얻은 리튬코발트옥사이드(LiCoO2)의 형상을 보여주는 그림이다. 막대형상을 가진 입자크기가 다양한 리튬코발트옥사이드가 제조되었다.FIG. 6 is a view showing the shape of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) obtained through the process described above. Lithium cobalt oxide with a rod shape and various particle sizes was prepared.

최종적으로 본 실험 예에서 얻은 리튬코발트옥사이드를 이용하여 전기화학적특성을 평가하였다. 양극의 크기는 10.0mm로 제조하였고, cut-off 전압은 3.0~4.3V, C-rate는 1 그리고 음극은 리튬금속을 사용하였다.Finally, the electrochemical characteristics were evaluated using lithium cobalt oxide obtained in this Experimental Example. The anode size was 10.0mm, the cut-off voltage was 3.0 ~ 4.3V, the C-rate was 1, and the cathode was lithium metal.

본 실험 예에서 제조된 리튬코발트옥사이드와 현재 시중에서 판매되고 있는 리튬코발트옥사이드와의 비교를 위해 두 양극물질을 동일한 조건으로 전극을 제조하여 전기화학적 특성을 평가하였다.In order to compare lithium cobalt oxide prepared in this experiment with currently available lithium cobalt oxide, an electrode was prepared under the same conditions as the two cathode materials, and the electrochemical characteristics were evaluated.

도 7 내지 도 8은 전기화학적 특성평가를 통해 얻은 사이클 수에 따른 전극의 비용량을 나타낸 것이다. 도 7에서“상용화 전극물질”로 표기된 것이 현재 시중에서 판매되고 있는 것을 이용하여 얻은 결과이고, 도 8에서 “본 발명 전극물질”로 표기된 것이 본 발명에서 얻은 양극활물질을 이용하여 얻은 결과이다.7 to 8 show the specific capacities of the electrodes according to the number of cycles obtained through the electrochemical property evaluation. In FIG. 7, the term "commercialized electrode material" is the result obtained using commercially available products. In FIG. 8, the term "the present invention electrode material" is a result obtained using the cathode active material obtained in the present invention.

구체적으로, 도 7 내지 도 8을 참고하면, 시중에서 판매되는 리튬코발트옥사이드로 제조된 전극의 경우, 초기용량은 본 발명에서 얻은 전극보다 다소 높으나 사이클 수가 증가함에 따라 일정하게 감소하는 경향을 나타내었다. 이에 비해 본 실험 예에서 얻은 전극은 사이클이 증가하여도 용량감소가 거의 없다. 30 사이클 후의 용량은 본 실험 예에서 얻은 것이 더 높은 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 실험 예에서 얻은 리튬코발트옥사이드의 전기화학적 특성이 시중에서 판매되는 것에 비해 더 우수하다는 것을 확인하였다.Specifically, referring to FIGS. 7 to 8, in the case of an electrode made of commercially available lithium cobalt oxide, the initial capacity was somewhat higher than that of the electrode obtained in the present invention, but showed a tendency to decrease constantly as the cycle number increased . On the other hand, the electrode obtained in the present experimental example shows little decrease in capacity even when the cycle is increased. It can be confirmed that the capacity after 30 cycles was higher than that obtained in this Experimental Example. That is, it was confirmed that the electrochemical characteristics of lithium cobalt oxide obtained in this Experimental Example were superior to those sold in the market.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 누구든지 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범주 내에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 다양하게 변경할 수 있음은 물론이다. 따라서 본 발명은 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는다면 다양한 변형 실시가 가능할 것이며, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of illustration, It goes without saying that the example can be variously changed. Accordingly, it is intended that the present invention cover the modifications and variations of this invention provided they come within the scope of the appended claims and their equivalents. * * * * * Recently Added Patents

Claims (9)

전극 활물질을 생산하는 방법에 있어서,
이차전지에 포함된 금속산화물을 황산 수용액에 투입하는 단계;
상기 투입 단계 이후에 기설정된 시간이 경과하면, 상기 금속 산화물이 투입된 황산 수용액에 과산화 수소를 투입하는 단계;
상기 과산화 수소가 투입된 용액을 염기성 용액과 반응시키고, 상기 반응에 의해 생성된 침전물을 제거하는 단계;
용매 추출 방식으로 상기 침전물이 제거된 용액에서 금속 불순물을 제거하는 단계; 및
상기 금속 불순물이 제거된 용액을 이용하여 리튬 금속 산화물을 생산하는 단계;를 포함하는 전극 활물질을 생산하는 방법.
A method for producing an electrode active material,
Charging a metal oxide contained in the secondary battery into an aqueous sulfuric acid solution;
Introducing hydrogen peroxide into the aqueous sulfuric acid solution into which the metal oxide has been introduced after a predetermined time has elapsed after the step of injecting;
Reacting the hydrogen peroxide solution with a basic solution and removing the precipitate produced by the reaction;
Removing metal impurities from the solution from which the precipitate has been removed by a solvent extraction method; And
And producing a lithium metal oxide by using the solution from which the metal impurities are removed.
제1항에 있어서,
상기 이차전지는,
폐기된 리튬이차전지 또는 적어도 한번 이상 충 방전이 수행된 리튬이차전지인 것을 특징으로 하는 전극 활물질을 생산하는 방법.
The method according to claim 1,
The secondary battery includes:
Wherein the lithium secondary battery is a lithium secondary battery which is discarded, or lithium secondary battery which has been charged and discharged at least once.
제1항에 있어서,
상기 이차전지의 집전체에 도포된 양극 물질을 상기 집전체로부터 분리시키는 단계; 및
상기 분리된 양극 물질을 분쇄하여 분말로 형성하는 단계;를 더 포함하며,
상기 금속산화물을 황산 수용액에 투입하는 단계는,
상기 금속산화물이 포함된 상기 분말을 황산 수용액에 투입하는 단계인 것을 특징으로 하는 전극 활물질을 생산하는 방법.
The method according to claim 1,
Separating the positive electrode material applied to the current collector of the secondary battery from the current collector; And
And grinding the separated positive electrode material to form a powder,
Wherein the step of introducing the metal oxide into the aqueous sulfuric acid solution comprises:
And introducing the powder containing the metal oxide into an aqueous sulfuric acid solution.
제1항에 있어서,
상기 용매 추출 방식으로 금속 불순물을 제거하는 단계는,
D2EHPA(Di(2-ethylhexyl) phosphoric acid)를 이용하여 상기 침전물이 제거된 용액에서 금속 불순물을 제거하는 제1 용매 추출 단계; 및
상기 제1 용매 추출 단계 이후, C272(Bis (2, 4, 4-trimethylpentyl phosphinic acid)를 이용하여 상기 침전물이 제거된 용액에 잔존하는 금속 불순물을 제거하는 제2 용매 추출 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 활물질을 생산하는 방법.
The method according to claim 1,
The step of removing the metal impurities by the solvent extraction method comprises:
A first solvent extraction step of removing metal impurities in the solution from which the precipitate has been removed using D2EHPA (Di (2-ethylhexyl) phosphoric acid); And
And a second solvent extraction step of removing metal impurities remaining in the solution from which the precipitate has been removed by using C272 (bis (2,4, 4-trimethylpentyl phosphinic acid) after the first solvent extraction step By weight based on the total weight of the electrode active material.
제1항에 있어서,
상기 용매 추출 방식으로 금속 불순물을 제거하는 단계는,
상기 침전물이 제거된 용액에 포함된 Zn, Al, Cu, Mn 및 Mg 중 적어도 하나의 금속 불순물을 상기 용매 추출제로 추출하는 단계인 것을 특징으로 하는 전극 활물질을 생산하는 방법.
The method according to claim 1,
The step of removing the metal impurities by the solvent extraction method comprises:
Wherein at least one metal impurity selected from the group consisting of Zn, Al, Cu, Mn, and Mg contained in the solution from which the precipitate is removed is extracted with the solvent extractant.
제1항에 있어서,
상기 금속 불순물이 제거된 용액은 고 농도의 황산코발트 용액이며,
상기 리튬 금속 산화물을 생산하는 단계는,
상기 고 농도의 황산 코발트 용액과 옥살산을 혼합하는 단계; 및
상기 혼합으로 발생된 침전물과 수산화 리튬 또는 리튬 카보네이트을 혼합한 후, 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 활물질을 생산하는 방법.
The method according to claim 1,
The solution from which the metal impurities are removed is a high concentration cobalt sulfate solution,
Wherein the step of producing the lithium metal oxide comprises:
Mixing the high concentration cobalt sulfate solution with oxalic acid; And
And mixing the precipitate generated by the mixing with lithium hydroxide or lithium carbonate, followed by heat treatment.
제1항에 있어서,
상기 금속산화물은 LiCoO2 또는 LiNiO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 활물질을 생산하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal oxide comprises LiCoO 2 or LiNiO 2 .
제1항에 있어서,
상기 금속 산화물이 투입된 황산 수용액 또는 상기 과산화 수소가 투입된 용액은,
코발트 이온, 리튬 이온, 망간 이온, 아연 이온 및 구리 이온 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 활물질을 생산하는 방법.
The method according to claim 1,
The aqueous sulfuric acid solution into which the metal oxide has been introduced or the solution into which the hydrogen peroxide has been introduced,
Wherein the electrode active material comprises at least one of cobalt ions, lithium ions, manganese ions, zinc ions, and copper ions.
제1항에 있어서,
상기 침전물이 제거된 용액은,
Zn, Al, Cu 및 Mn중 적어도 하나의 금속 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 활물질을 생산하는 방법.
The method according to claim 1,
The solution from which the precipitate has been removed,
And at least one metal impurity selected from Zn, Al, Cu and Mn.
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