KR20150094412A - Method for recovering valuable metals from cathodic active material of used lithium battery - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a valuable metal recovering method. The method includes the steps of: separating lithium compounds from the positive electrode materials of a waste lithium ion battery through hydrogenation or carbon reduction; and leaching the positive electrode materials of the waste lithium ion battery separated from the lithium compounds in a strong acid to separate the metal compounds including Ni, Co, and Mn. More specifically, the valuable metal recovering method omits a process of purifying a reactant added to recover the valuable materials to be economical and recover the metal compounds including Ni, Co, and Mn and lithium compounds from the positive electrode materials of the waste lithium ion battery respectively at a high purity rate and recovery rate.

Description

폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 유가 금속을 회수하는 방법{METHOD FOR RECOVERING VALUABLE METALS FROM CATHODIC ACTIVE MATERIAL OF USED LITHIUM BATTERY}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for recovering valuable metals from a cathode material of a waste lithium ion battery,

본 발명은 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 유가 금속을 회수하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 높은 순도 및 회수율로 리튬, 니켈, 코발트 및 망간을 회수할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for recovering valuable metals from a cathode material of a waste lithium ion battery, and more particularly to a method for recovering lithium, nickel, cobalt and manganese from a cathode material of a waste lithium ion battery at a high purity and recovery rate ≪ / RTI >

본 발명은 중소기업청 기술혁신개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: S2045890, 과제명: 리튬이온전지 스크랩을 원료로 한 NMC 전구체 및 고순도 리튬화합물 제조기술개발]. The present invention was derived from the research conducted as a part of the technical innovation development project of the Small and Medium Business Administration [Task Control Number: S2045890, Title: Development of NMC precursor and high purity lithium compound manufacturing technology using lithium ion battery scrap as raw material].

리튬 이온전지는 높은 에너지 밀도와 경량의 특성을 지니고 있기 때문에 소형 휴대장비의 동력원으로 사용되고 있는 등, 최근 들어 리튬 이온전지의 사용량이 급증하고 있다. 특히, 최근에는 소형가전기기, 모바일용 제품뿐만 아니라 하이브리드 전기자동차(HEV/EV) 등의 동력원으로도 널리 이용되고 있다.Since lithium ion batteries have high energy density and light weight characteristics, they are being used as power sources for small portable equipment. Recently, the usage of lithium ion batteries has been rapidly increasing. In recent years, it is widely used not only for small household appliances and mobile products but also as a power source for hybrid electric vehicles (HEV / EV).

이러한 리튬 이온전지는 양극과 음극, 유기전해질(organic electrolyte) 및 유기분리막(organic separator)으로 구성되어 있으며, 구체적으로 플라스틱 케이스(Plastic casing)와 여러 셀 단위(cell unit)안에 포함된 양극, 음극, 유기분리막, 유기전해질, 그리고 니켈-코팅 강철 케이스(Ni-coated steel casing)로 구성된다.Such a lithium ion battery is composed of an anode and a cathode, an organic electrolyte and an organic separator. Specifically, a lithium ion battery includes a plastic casing and an anode, a cathode, Organic separators, organic electrolytes, and Ni-coated steel casings.

한편, 리튬 이온전지의 양극은 양극물질, 도전체, 바인더, 집전체로 이루어져 있으며, 양극물질(active cathode materials)로는 가역성(reversibility)이 우수하고, 낮은 자가방전율, 고용량, 고에너지 밀도를 갖고, 합성이 용이한 리튬코발트산화물(LiCoO2)이 널리 사용되고 있다. 또한, 최근에는 고가인 코발트(Co)의 사용량을 줄이기 위해 Ni, Mn등이 함께 포함된 Li(NixCoyMnz)O2와 같은 3원계의 리튬 복합금속 산화물 등도 양극 물질로 이용되고 있다. 그러나 상기와 같은 양극물질 모두 적어도 5중량% 이상의 리튬, 및 니켈, 코발트, 망간과 같은 유가 금속을 다량 함유하고 있어, 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 고가의 유가 금속을 회수하기 위한 방법에 관심이 주목되고 있다. 또한, 현재하이브리드 전기자동차(HEV)용 고용량 양극소재로 Li(NixCoyMnz)O2 (NCM)이 적용되어지고 있다. 이에 본격적으로 생산될 것으로 예측되는 전지자동차용 NCM계 양극소재에 있어서 불량 스크랩에 대한 재처리 및 재활용의 필요성이 대두되고 있다. On the other hand, the positive electrode of a lithium ion battery is composed of a positive electrode material, a conductor, a binder and a current collector. The active material is excellent in reversibility, low self discharge rate, high capacity, high energy density, Lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), which is easy to synthesize, is widely used. In recent years, ternary lithium composite metal oxides such as Li (Ni x Co y Mn z ) O 2 including Ni, Mn and the like are also used as a positive electrode material in order to reduce the amount of expensive cobalt (Co) . However, all of the above-mentioned cathode materials contain at least 5% by weight of lithium and a large amount of valuable metals such as nickel, cobalt and manganese, so that they are interested in a method for recovering expensive valuable metals from the cathode material of a spent lithium ion battery Attention is being paid. Li (Ni x Co y Mn z ) O 2 (NCM) has been applied as a high-capacity anode material for a hybrid electric vehicle (HEV). Therefore, there is a need for reprocessing and recycling of bad scrap in NCM-based anode materials for battery automobiles, which are expected to be produced in earnest.

종래에는 폐 리튬 이온전지로부터 유가 금속을 회수하는 방법 중 하나로 질산, 황산, 염산 등의 강산을 사용하여 폐 리튬 이온전지의 양극물질을 용해한 뒤 중화반응을 행하여 리튬과 기타 금속화합물을 분리 회수하는 방법이 사용되었다. 다만, 상기 회수 방법은 리튬과 금속 화합물이 함께 산에 용출되어 분리되므로, 이를 다시 리튬 이온전지의 제조에 사용하기 위해서는 리튬 화합물과 기타 금속 화합물을 분리하는 추가적인 공정이 필요한 한계가 있었다. Conventionally, one of the methods for recovering valuable metals from waste lithium ion batteries is a method of dissolving a positive electrode material of a waste lithium ion battery using a strong acid such as nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, and then performing a neutralization reaction to separate and recover lithium and other metal compounds Was used. However, in the above-mentioned recovery method, since lithium and a metal compound are eluted into an acid and separated, there is a need to further process to separate a lithium compound from other metal compounds in order to use it again in the production of a lithium ion battery.

또한, 기존에 알려진 또 다른 이차전지 양극물질을 재활용 방법은 먼저 유가금속인 코발트, 니켈, 망간을 회수하고, 리튬은 탄산나트륨을 사용하여 탄산리튬 형태로 회수하게 되는데, 이 경우 나트륨이 불순물로 작용하여 여러 번 수세 공정을 거쳐야 하는 단점이 발생한다.Another known method for recycling secondary battery cathode materials is to recover cobalt, nickel, and manganese, which are valuable metals, and recover lithium in the form of lithium carbonate using sodium carbonate. In this case, sodium acts as an impurity There is a disadvantage that the washing process must be repeated several times.

이에 따라, 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 리튬, 니켈, 코발트 및 망간을 보다 용이한 방법으로 회수할 수 있는 방법에 대한 개발이 필요한 실정이다. Accordingly, there is a need to develop a method for recovering lithium, nickel, cobalt and manganese from a cathode material of a spent lithium ion battery in an easier manner.

본 발명은 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 높은 순도 및 회수율로 리튬, 니켈, 코발트 및 망간을 회수할 수 있는 유기 금속의 회수 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention provides a recovery method of organometallic compounds capable of recovering lithium, nickel, cobalt and manganese from a cathode material of a waste lithium ion battery at high purity and recovery rate.

본 발명은 폐 리튬 이온전지의 양극물질을 수소 환원 또는 탄소 환원시켜 리튬 화합물을 분리하는 단계; 상기 리튬 화합물이 분리된 폐 리튬 이온전지의 양극 물질을 강산에 침출시켜 니켈, 코발트, 망간을 포함하는 강산 침출 수용액을 형성하는 단계; 상기 강산 침출 수용액에 산화제를 첨가하여 망간 화합물을 분리하는 단계; 및 용매 추출법을 이용하여 상기 망간 화합물이 분리된 강산 침출 수용액으로부터 잔량의 망간 화합물, 니켈 및 코발트를 각각 추출하는 단계를 포함하는, 유가 금속의 회수 방법을 제공한다. The present invention relates to a method for separating a lithium compound by hydrogen reduction or carbon reduction of a cathode material of a waste lithium ion battery, Forming a strong acid leaching aqueous solution containing nickel, cobalt, and manganese by leaching a positive electrode material of the waste lithium ion battery into which the lithium compound is separated, in a strong acid; Separating the manganese compound by adding an oxidizing agent to the strong acid leaching aqueous solution; And extracting residual amounts of manganese compounds, nickel and cobalt from the aqueous leach solution of strong acids from which the manganese compounds have been separated by using a solvent extraction method, respectively.

이하 발명의 구체적인 구현 예에 따른 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 유가금속의 회수 방법에 관하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
Hereinafter, a method for recovering a valuable metal from a cathode material of a waste lithium ion battery according to a specific embodiment of the present invention will be described in detail.

본 명세서에서 "탄소계 화합물"은 탄소를 포함하는 화합물을 통칭하는 것으로서, 탄소를 포함한 유기물질, 탄소를 포함한 무기물질 등 탄소원소를 함유한 화합물을 모두 포함하는 의미이다.As used herein, the term "carbon-based compound" refers to a compound containing carbon and includes all organic compounds including carbon, inorganic compounds including carbon, and the like.

본 명세서에서 "유가금속"은 리튬, 니켈, 코발트, 망간을 포함한다. As used herein, the term " valuable metal "includes lithium, nickel, cobalt, and manganese.

본 명세서에서 "리튬 이온전지의 양극물질"은 리튬 이온전지의 양극의 구성 성분 중 도전체, 바인더, 집전체를 제외한 물질을 의미한다.
In the present specification, the term " positive electrode material of a lithium ion battery "means a material other than a conductor, a binder and a current collector among constituent components of a positive electrode of a lithium ion battery.

발명의 일 구현예에 따르면, 폐 리튬 이온전지의 양극물질을 수소 환원 또는 탄소 환원시켜 리튬 화합물을 분리하는 단계; 상기 리튬 화합물이 분리된 폐 리튬 이온전지의 양극 물질을 강산에 침출시켜 니켈, 코발트, 망간을 포함하는 강산 침출 수용액을 형성하는 단계; 상기 강산 침출 수용액에 산화제를 첨가하여 망간 화합물을 분리하는 단계; 및 용매 추출법을 이용하여 상기 망간 화합물이 분리된 강산 침출 수용액으로부터 잔량의 망간 화합물, 니켈 및 코발트를 각각 추출하는 단계를 포함하는, 유가 금속의 회수 방법이 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of separating a lithium compound by hydrogen reduction or carbon reduction of a cathode material of a waste lithium ion battery; Forming a strong acid leaching aqueous solution containing nickel, cobalt, and manganese by leaching a positive electrode material of the waste lithium ion battery into which the lithium compound is separated, in a strong acid; Separating the manganese compound by adding an oxidizing agent to the strong acid leaching aqueous solution; And extracting residual amounts of manganese compounds, nickel and cobalt from the aqueous leaching solution of strong acid in which the manganese compound has been separated by using a solvent extraction method, respectively.

본 발명자들은, 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질을 특정 방법으로 환원시켜 리튬 화합물은 분리해내어 회수하고 나머지 유가 금속 화합물은 강산에 침출시킨 이후에, 산화제 및 용매 추출제를 순차적으로 사용하여 상기 폐 리튬 이온전지 내에 함유된 유가금속을 높은 회수율로 용이하게 회수할 수 있음을 실험을 통하여 확인하고, 발명을 완성하였다. The inventors of the present invention have found out that the cathode material of the waste lithium ion battery is reduced by a specific method so that the lithium compound is separated and recovered and the remaining valuable metal compound is leached into the strong acid and then oxidizing agent and solvent extracting agent are sequentially used, It has been confirmed through experiments that the valuable metal contained in the ion battery can be easily recovered at a high recovery rate, and the invention is completed.

상기 유가금속의 회수 방법은 수소 환원 또는 탄소 환원 방법을 이용하여 리튬 화합물을 폐 리튬 이온전지로부터 분리하므로, 탄산 나트륨을 사용하지 않아 나트륨을 정제하기 위하여 사용되는 추가 공정을 생략할 수 있으며, 리튬 화합물 및 다른 금속 화합물을 고순도로 분리하여 회수할 수 있으므로 추가적으로 이들을 분리하는 공정 또한 생략할 수 있어 경제적이며 단순하다. The recovering method of the valuable metal separates the lithium compound from the spent lithium ion battery by using the hydrogen reduction or the carbon reduction method, so that the additional process used for purifying the sodium can be omitted without using sodium carbonate, And other metal compounds can be separated and recovered in high purity, so that the step of separating them can be omitted, which is economical and simple.

또한, 상기 구현예의 유가 금속의 회수 방법에서는, 상기 리튬 화합물이 분리된 폐 리튬 이온전지의 양극 물질을 강산에 침출시켜 니켈, 코발트, 망간을 포함하는 강산 침출 수용액을 형성한 이후에, 상기 강산 침출 수용액에 산화제를 첨가하여 망간 화합물을 분리하고, 용매 추출법을 사용하여 상기 망간 화합물이 분리된 강산 침출 수용액에서 잔량의 망간 화합물, 니켈 및 코발트를 각각 추출할 수 있다. 이러한 과정을 통하여, 리튬 화합물과 망간 화합물, 니켈 및 코발트를 각각 높은 수율 및 순도로 용이하게 분리해내고 회수할 수 있다. Further, in the above-described method for recovering valuable metals, the positive electrode material of the waste lithium ion battery in which the lithium compound is separated is leached into strong acid to form a strong acid leaching aqueous solution containing nickel, cobalt and manganese, The manganese compound is separated by adding an oxidizing agent and the residual manganese compound, nickel and cobalt can be respectively extracted from the strong acid leaching aqueous solution in which the manganese compound is separated by using the solvent extraction method. Through this process, the lithium compound and the manganese compound, nickel and cobalt can be easily separated and recovered with high yield and purity, respectively.

특히, 상기 니켈, 코발트, 망간을 포함하는 강산 침출 수용액에 우선적으로 산화제를 첨가하여 망간 화합물을 일정 수준 이상 분리한 이후에, 잔량의 망간 화합물, 니켈 및 코발트를 용매 추출법을 이용하여 분리 및 추출해내면, 보다 높은 효율로 고순도의 망간 화합물, 니켈 및 코발트를 분리할 수 있다.Particularly, when an oxidizing agent is first added to an aqueous solution of a strong acid leaching solution containing nickel, cobalt and manganese to separate a manganese compound from a predetermined level or more, and then the remaining manganese compound, nickel and cobalt are separated and extracted using a solvent extraction method , A high purity manganese compound, nickel and cobalt can be separated with higher efficiency.

후술하는 실시예 및 비교예에 나타난 바와 같이, 단순히 상기 니켈, 코발트, 망간을 포함하는 강산 침출 수용액에 대하여 용매 추출법을 적용하여 유가 금속을 분리하는 경우, 분리 효율이 크게 저하되거나 분리되는 유가 금속의 순도가 높지 않을 수 있다. As shown in Examples and Comparative Examples to be described later, when a solvent extraction method is applied to a strong acid leaching aqueous solution containing nickel, cobalt, and manganese simply by separating a valuable metal, the separation efficiency is greatly reduced, Purity may not be high.

상기 강산 침출 수용액에 산화제를 첨가하여 망간 화합물을 분리하는 단계를 통하여 상기 강산 침출 수용액에 포함되어 있던 망간 화합물 대부분이 분리될 수 있다. 구체적으로, 상기 망간 화합물이 분리된 강산 침출 용액에서 니켈에 대한 망간의 중량비율이 20%이하, 또는 10%이하 일 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 강산 침출 수용액에 산화제를 첨가하여 망간 화합물을 분리하여 상기 망간 화합물이 분리된 강산 침출 용액에서 니켈에 대한 망간의 중량비율이 20%이하, 또는 10중량이하이면, 이후 진행되는 용매 추출법에 의하여 잔량의 망간 화합물, 니켈 및 코발트를 보다 높은 효율로 추출해낼 수 있다. Most of the manganese compounds contained in the strong acid leaching aqueous solution can be separated through the step of adding an oxidizing agent to the strong acid leaching aqueous solution to separate the manganese compounds. Specifically, the weight ratio of manganese to nickel in the strong acid leaching solution from which the manganese compound is separated may be 20% or less, or 10% or less. As described above, if the weight ratio of manganese to nickel in the strong acid leaching solution from which the manganese compound has been separated by separating the manganese compound by adding an oxidizing agent to the strong acid leaching aqueous solution is 20% or less, or 10 weight% or less, The residual amount of manganese compound, nickel and cobalt can be extracted with higher efficiency by the solvent extraction method.

상기 산화제로는 통상적으로 알려진 산화제를 사용할 수 있으며, 이러한 산화제의 구체적인 예로 오존, 산화망간(IV), 시오황산나트륨(K2S2O8), 하이포염소산 나트륨(NaClO), 과망간산칼륨, 이산화염소, 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. Specific examples of the oxidizing agent include ozone, manganese (IV) oxide, sodium sulphate (K2S2O8), sodium hypochlorite (NaClO), potassium permanganate, chlorine dioxide, Or mixtures thereof.

상기 산화제는 상기 강산 침출 수용액에 포함된 망간 대비 1당량 내지 4당량으로 첨가될 수 있다. The oxidizing agent may be added in an amount of 1 to 4 equivalents based on manganese contained in the strong acid leaching aqueous solution.

통상적으로 알려진 용매 추출법을 통하여 상기 망간 화합물이 분리된 강산 침출 수용액으로부터 잔량의 망간 화합물, 니켈 및 코발트를 각각 추출할 수 있다. The remaining manganese compounds, nickel and cobalt can be respectively extracted from the strong acid leaching aqueous solution in which the manganese compound is separated through a commonly known solvent extraction method.

구체적으로, 상기 용매 추출법은 상기 망간 화합물이 분리된 강산 침출 수용액 및 추출제를 포함한 유기 용매를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. Specifically, the solvent extraction method may include mixing an organic solvent containing the strong acid leaching aqueous solution and the extracting agent from which the manganese compound is separated.

상기 추출제는 유가 금속을 추출해 낼 수 있는 것으로 알려진 화합물을 사용할 수 있으며, 예를 들어 인산염류(phosphate), 포스폰산류(phosphinic acid), 포스포네이트류(phosphonate), 탄소수 8 내지 20의 지방족카르복실산, 아민 화합물, 하이드록시옥심, 인산 에스테르(phosphoric ester), 포스폰산에스테르(phosphonic ester), 산화 포스핀(phosphine oxide), 황화 포스핀(phosphine sulphide) 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. The extractant may be a compound known to be capable of extracting a valuable metal such as phosphate, phosphinic acid, phosphonate, aliphatic having 8 to 20 carbon atoms A carboxylic acid, an amine compound, a hydroxyoxime, a phosphoric ester, a phosphonic ester, a phosphine oxide, a phosphine sulphide, or a mixture of two or more thereof .

또한, 상기 추출제로는 트리옥틸아민(Trioctylamine), 데실아민(decylamine), 옥타데칸아마이드(Octadecanamide), 디(2-에틸헥실)포스페이트[Di(2-ethylhexyl)phosphate], 2-에틸헥실-모노(2-에틸헥실) 포스폰산에스테르[Phosphonic acid ( 2-ethylhexyl )-mono( 2-ethylhexyl )ester], 비스(2,4,4-트리메틸펜틸)포스폰산[Bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinic acid], 디(2-에틸헥실)포스폰산[Di(2-ethylhexyl)phosphonic acid], 트리-아릴포스핀옥사이드[Tri-akylphosphine oxide], 디메틸헵틸메틸포스페이트[Dimethylheptyl methyl phosphate], E-헥실-4-에틸옥틸이소프로필포스폰산[E-hexyl-4-ethyloctyl isopropyl phosphonic acid], 2-에틸헥실 메틸포스폰산디(2-에틸헥실)에스테르[2-ethylhexyl methyl phosphonic acid Di(2-ethylhexyl)ester], 디부틸부틸포스포네이트(Dibutyl butyl phosphonate), 트리부틸포스핀(Tributylphosphine)또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.Examples of the extraction agent include trioctylamine, decylamine, octadecanamide, di (2-ethylhexyl) phosphate, 2-ethylhexyl-mono (2-ethylhexyl) phosphonate, bis (2,4,4-trimethylpentyl) phosphonic acid [Bis (2,4,4-trimethylpentyl) di (2-ethylhexyl) phosphonic acid], tri-acylphosphine oxide, dimethylheptyl methyl phosphate, E- 2-ethylhexyl methyl phosphonic acid di (2-ethylhexyl) ester, 2-ethylhexylmethylphosphonic acid di (2-ethylhexylmethylphosphonic acid) ) ester, dibutyl butyl phosphonate, tributylphosphine, or a mixture of two or more thereof can be used. .

상기 추출제는 용매 추출법에 사용되는 것으로 알려진 희석제를 사용하여 희석된 상태로 사용할 수 있다. The extractant may be used in a diluted state using a diluent known to be used in a solvent extraction method.

상기 망간 화합물이 분리된 강산 침출 수용액 및 추출제를 포함한 유기 용매를 혼합하는 단계에서 수용성 상에 대한 유기 상의 부피 비율(O/A)가 0.5 내지 3.0일 수 있다. The volume ratio (O / A) of the organic phase to the water-soluble phase may be 0.5 to 3.0 in the step of mixing the aqueous solution containing the strong acid extracted with the manganese compound and the organic solvent containing the extractant.

한편, 상기 일 구현예의 유가 금속의 회수 방법에서는, 상술한 수소 환원 또는 탄소 환원으로 상기 폐 리튬 이온전지의 양극 물질로부터 리튬 화합물을 분리한 이후에, 상기 리튬 화합물이 분리된 결과물을 강산에 침출시켜 환원제인 과산화수소의 사용 없이 니켈, 코발트, 망간을 포함하는 금속 화합물을 분리할 수 있다. Meanwhile, in the method for recovering a valuable metal in the embodiment, after the lithium compound is separated from the positive electrode material of the waste lithium ion battery by the hydrogen reduction or the carbon reduction described above, the resultant product in which the lithium compound is separated is leached into strong acid, Without using hydrogen peroxide, metal compounds including nickel, cobalt and manganese can be separated.

상기 강산은 황산, 질산 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으나, 특히 황산을 이용하면 니켈, 코발트, 망간과 같은 유가금속을 비교적 낮은 농도에서 높은 침출율로 회수할 수 있다. The strong acid may include sulfuric acid, nitric acid, or a mixture thereof. However, when sulfuric acid is used, a valuable metal such as nickel, cobalt, and manganese can be recovered at a relatively low concentration and a high leaching rate.

상기 강산은 0.1 내지 5 M 농도 일 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 4M농도일 수 있다. 상기 범위의 농도의 강산으로 반응시키는 경우, 니켈, 코발트, 망간이 높은 비율로 용출되어, 니켈, 코발트, 망간을 포함하는 금속 화합물의 회수율이 높게 나타날 수 있다. 다만, 상기 강산의 농도가 0.1M 미만인 경우, 상기 금속 화합물이 강산에 용출되는 양이 너무 적을 수 있고, 상기 강산의 농도가 5M 을 초과하는 경우 강산의 농도에 따른 침출량의 증가가 미미하여 경제성이 충분히 확보되지 않을 수 있다. The strong acid may be 0.1 to 5 M concentration, preferably 2 to 4 M concentration. When the reaction is carried out with a strong acid having a concentration in the above range, nickel, cobalt and manganese are eluted at a high rate, and the recovery of metal compounds including nickel, cobalt and manganese may be high. However, when the concentration of the strong acid is less than 0.1M, the amount of the metal compound eluted into the strong acid may be too small. When the concentration of the strong acid exceeds 5M, the increase of the leaching amount depending on the concentration of the strong acid is insignificant It may not be ensured.

상기 강산 용액에 침출되는 니켈, 코발트, 망간을 포함하는 금속 화합물에서 니켈, 코발트, 망간은 금속 이온, 금속 산화물, 금속 입자형태로 포함되어 있을 수 있으며, 보다 바람직하게는 금속 이온 상태로 존재할 수 있다. Nickel, cobalt, and manganese may be contained in the metal compound including nickel, cobalt, and manganese leached into the strong acid solution in the form of metal ions, metal oxides, metal particles, and more preferably in a metal ion state .

그리고, 상기 양극물질을 강산에 침출시키는 단계에서, 강산에 대한 상기 리튬 화합물이 회수된 폐 리튬 이온전지의 양극 물질의 고액비가 50 내지 150 g/L일 수 있다. 상기 고액비가 50g/L 미만이면 강산의 양에 따른 침출량의 증가가 적어 경제성이 충분히 확보되지 않을 수 있으며, 고액비가 150g/L를 초과하는 경우 유가 금속이 강산에 잘 침출되지 않고 다시 결정으로 생성될 수 있어, 상기 양극물질의 금속 화합물의 강산에의 침출율이 낮게 나타날 수 있다.And, in the step of leaching the positive electrode material into a strong acid, the solid-liquid ratio of the positive electrode material of the spent lithium ion battery recovered from the lithium compound to strong acid may be 50 to 150 g / L. When the solid ratio is less than 50 g / L, the amount of leaching is small depending on the amount of strong acid, so that economical efficiency may not be sufficiently secured. If the solid ratio exceeds 150 g / L, the valuable metal is not well leached into strong acid, And the leaching rate of the metal compound of the positive electrode material into the strong acid may be low.

상기 리튬 화합물이 분리된 폐 리튬 이온전지의 양극 물질을 강산에 침출시켜 니켈, 코발트, 망간을 포함하는 강산 침출 수용액을 형성한 이후에, 상기 강산 침출 수용액에 산화제를 첨가하여 망간 화합물을 분리할 수 있다. The manganese compound can be separated by adding an oxidizing agent to the strong acid leaching aqueous solution after leaching the positive electrode material of the waste lithium ion battery from which the lithium compound is separated into strong acid to form a strong acid leaching aqueous solution containing nickel, cobalt and manganese .

상기 유가 금속의 회수 방법은 상기 강산 침출 용액의 pH를 1.0 내지 7.0, 또는 1.5 내지 6.5로 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method for recovering the valuable metal may further include adjusting pH of the strong acid leaching solution to 1.0 to 7.0, or 1.5 to 6.5.

상기 강산 침출 용액의 조성, 사용되는 산화제, 및 이후 적용되는 용매 추출법에서 사용되는 추출제 등을 고려하여 상기 강산 침출 용액의 pH를 결정할 수 있다. 이러한 pH 조절 방법은 크게 한정되는 것은 아니며, 통상적으로 알려진 산 첨가, 알카리 첨가 등의 방법을 사용할 수 있다.The pH of the strong acid leaching solution can be determined in consideration of the composition of the strong acid leaching solution, the oxidizing agent used, and the extractant used in the solvent extraction method to be applied hereinafter. The method of controlling the pH is not limited to a wide range, and conventionally known methods such as acid addition and alkali addition can be used.

한편, 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질은 니켈, 코발트, 망간 및 리튬으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 유가금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 폐 리튬 이온전지에서 분리된 양극물질은 니켈 1 내지 50중량%, 코발트 1 내지 50중량%, 망간 1 내지 50중량%, 리튬 1 내지 10중량%를 포함할 수 있고, 추가적으로 알루미늄 0.001 내지 5중량%를 더 포함할 수 있다. Meanwhile, the cathode material of the waste lithium ion battery may include at least one valuable metal selected from the group consisting of nickel, cobalt, manganese, and lithium. Specifically, the cathode material separated from the waste lithium ion battery may contain 1 to 50% by weight of nickel, 1 to 50% by weight of cobalt, 1 to 50% by weight of manganese and 1 to 10% by weight of lithium, By weight to 5% by weight.

상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질은 상술한 금속 자체뿐만 아니라 금속의 유기 또는 무기 화합물을 다양한 형태로 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질은 리튬코발트 산화물(LiCoO2), 리튬코발트니켈망간 산화물(LiCoNiMnO2), 리튬코발트니켈 산화물(LiCo1-yNiyO2, 0<y<1), 리튬망간산화물(LiMnO2), 리튬망간인산화물(LiMnPO4), 리튬철인산화물(LiFePO4) 및 리튬니켈알루미늄 산화물(LiNi1 - zAlzO2, 0.05=z=0.5)에서 선택되는 하나 이상의 리튬 복합금속 산화물을 포함할 수 있다. The cathode material of the waste lithium ion battery may contain not only the metal itself but also organic or inorganic compounds of metal in various forms. Specifically, the cathode material of the waste lithium ion battery is selected from the group consisting of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium cobalt nickel manganese oxide (LiCoNiMnO 2 ), lithium cobalt nickel oxide (LiCo 1-yN y O 2 , 0 <y < (LiMnO 2), lithium-manganese-phosphorus oxide (LiMnPO 4), lithium iron phosphate (LiFePO 4) and lithium-nickel-aluminum oxide (LiNi 1 - z Al z O 2, 0.05 = z = 0.5) at least one selected from lithium composite metal Oxide. &Lt; / RTI &gt;

상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질은 다양한 범위의 평균 입도를 가질 수 있으나, 바람직하게는 1 내지 20㎛의 입도(D50)를 가질 수 있다. 상기 폐 리튬 이온전지의 입도가 너무 크거나 작은 경우, 상술한 수소 환원 또는 탄소 환원이 균일하게 일어나지 않을 수 있으며, 상술한 유가 금속을 효율적으로 분리해내기가 용이하지 않을 수 있다. The cathode material of the spent lithium ion battery may have an average particle size in various ranges, but may preferably have a particle size (D50) of 1 to 20 mu m. When the particle size of the spent lithium ion battery is too large or small, the aforementioned hydrogen reduction or carbon reduction may not occur uniformly, and it may not be easy to efficiently separate the above-described valuable metal.

상술한 바와 같이, 폐 리튬 이온전지의 양극물질을 수소 환원 또는 탄소 환원시킴에 따라서 고순도의 리튬 화합물을 효율적으로 분리할 수 있다. As described above, the high-purity lithium compound can be efficiently separated according to the hydrogen reduction or carbon reduction of the cathode material of the spent lithium ion battery.

상기 수소 환원 또는 탄소 환원에 의하여 분리되는 리튬 화합물은 산화 리튬, 수산화 리튬, 탄산 리튬, 또는 이들의 2종 이상의 혼합물일 수 있으며, 보다 바람직하게는 탄산 리튬 결정일 수 있다. The lithium compound separated by hydrogen reduction or carbon reduction may be lithium oxide, lithium hydroxide, lithium carbonate, or a mixture of two or more thereof, more preferably a lithium carbonate crystal.

상기 리튬 화합물을 분리하는 단계의 수소 환원은 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질과 수소 가스를 반응시킴으로써 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 리튬 화합물을 분리하는 단계의 수소 환원은 폐 리튬 이온전지의 양극물질에 수소 가스를 투입하고, 폐 리튬 이온전지의 양극물질을 400℃ 내지 800℃로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. The hydrogen reduction in the step of separating the lithium compound may be performed by reacting the positive electrode material of the waste lithium ion battery with the hydrogen gas. Specifically, the hydrogen reduction in the step of separating the lithium compound may include a step of charging hydrogen gas into the cathode material of the spent lithium ion battery and heating the cathode material of the spent lithium ion battery to 400 ° C to 800 ° C .

이러한 수소 환원 반응이 진행됨에 따라서, 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질에 포함된 리튬은 분리 가능한 화합물의 형태로 전환될 수 있으며, 상기 양극물질에서 리튬 이외의 유가 금속이 환원된 형태로 전환될 수 있다. As the hydrogen reduction reaction progresses, lithium contained in the cathode material of the waste lithium ion battery can be converted into a form of a separable compound, and the cathode material can be converted into a form in which a valuable metal other than lithium is reduced have.

상기 수소 가스는 0.1 내지 10 L/min의 속도로 투입할 수 있고, 바람직하게는 0.5 내지 2 L/min으로 투입할 수 있다. 상기 수소 가스의 투입속도가 상기 범위를 벗어나는 경우, 환원 반응이 효율적으로 일어나지 않을 수 있다. The hydrogen gas may be introduced at a rate of 0.1 to 10 L / min, preferably at a rate of 0.5 to 2 L / min. When the charging rate of the hydrogen gas is out of the above range, the reduction reaction may not be efficiently performed.

상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질에 수소 가스를 투입한 후, 폐 리튬 이온전지의 양극물질과 수소 가스를 400℃ 내지 800℃로 가열하여, 상기 양극물질을 환원시킬 수 있다. 특히, 상기 양극물질에 포함된 유가 금속은 Li(M)O2 (단, M은 Co, Ni, Mn)의 리튬 복합금속 산화물 형태로 존재할 수 있는데, 이들이 수소가스와 400℃ 내지 800℃에서 반응하면, LiO2, Co, Ni, MnO 형태로 환원 될 수 있다. 즉, 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 상기 수소 환원 반응으로 산화 리튬과 같은 리튬 화합물을 형성할 수 있고, 이를 후술할 수세 공정, 또는 이산화탄소와의 반응 공정 등을 통해 분리해 낼 수 있다. After the hydrogen gas is introduced into the cathode material of the waste lithium ion battery, the cathode material and the hydrogen gas of the waste lithium ion battery can be heated to 400 ° C to 800 ° C to reduce the cathode material. In particular, the valuable metal contained in the positive electrode material may exist in the form of a lithium composite metal oxide of Li (M) O 2 (where M is Co, Ni, Mn), which reacts with hydrogen gas at 400 ° C. to 800 ° C. , It can be reduced to LiO 2 , Co, Ni, MnO form. That is, a lithium compound such as lithium oxide can be formed from the cathode material of the waste lithium ion battery by the hydrogen reduction reaction, and can be separated through a water washing process or a reaction process with carbon dioxide, which will be described later.

상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질 및 수소 가스가 반응 하는 과정에서의 가열온도 및 가열 시간은 크게 제한은 없으나, 구체적으로 400℃ 내지 800℃의 온도에서 5분 내지 24시간 동안 행해질 수 있다. 상기 가열 온도는 400℃ 내지 800℃의 범위 내에서 조절 가능하지만, 바람직하게는 600℃ 내지 800℃의 온도에서 행해질 수 있다. 상기의 바람직한 온도 범위에서 가열 시키는 경우, 리튬 회수율이 높게 나타날 수 있다. 상기 가열온도가 400℃ 미만인 경우, 낮은 온도로 인하여 폐 리튬 이온전지의 양극물질 내의 복합금속 산화물의 환원반응이 잘 일어나지 않아 리튬 화합물의 회수율이 낮게 나타날 수 있으며, 800℃를 초과하는 온도로 가열시키면 환원된 리튬 화합물과 복합금속 산화물의 재결합과 같은 부반응이 일어나, 리튬 화합물의 회수율이 낮아질 수 있다.The heating temperature and the heating time during the reaction of the cathode material and the hydrogen gas of the waste lithium ion battery are not particularly limited, but may be specifically performed at a temperature of 400 ° C to 800 ° C for 5 minutes to 24 hours. The heating temperature can be adjusted within a range of 400 to 800 占 폚, but preferably at a temperature of 600 to 800 占 폚. When heating is carried out in the above-mentioned preferable temperature range, the lithium recovery rate may be high. When the heating temperature is lower than 400 ° C., the reduction reaction of the composite metal oxide in the cathode material of the waste lithium ion battery does not occur due to the low temperature, so that the recovery rate of the lithium compound may be low. A side reaction such as re-coupling of the reduced lithium compound and the composite metal oxide occurs, and the recovery rate of the lithium compound may be lowered.

가열 시간은 5분 내지 24시간의 범위에서, 폐 리튬 이온전지의 양극물질의 양 및 온도 조건을 고려하여 바람직하게 조절될 수 있다. 가열 시간이 5분 미만인 경우, 상기 양극물질의 환원 반응이 불충분하게 일어날 수 있고, 24시간을 초과하면, 가열 시간 증가에 따른 리튬 화합물 회수율 상승효과가 미미하여 비경제적이다.The heating time can be preferably adjusted in consideration of the amount of the positive electrode material of the waste lithium ion battery and the temperature condition, in the range of 5 minutes to 24 hours. If the heating time is less than 5 minutes, the reduction reaction of the cathode material may occur insufficiently. If the heating time exceeds 24 hours, the effect of increasing the recovery rate of the lithium compound with increase of the heating time is insignificant.

상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질과 수소 가스는 1℃/분 내지 20℃/분의 승온 속도로 가열될 수 있다. 상기 승온 속도는 폐 리튬 이온전지의 양극물질의 양 및 최종 가열 온도를 고려하여 바람직하게 조절될 수 있으며, 상기 범위의 승온 속도로 가열하면 보다 높은 반응 효율로 양극물질이 환원될 수 있어 바람직하다. The cathode material and the hydrogen gas of the spent lithium ion battery can be heated at a rate of 1 DEG C / minute to 20 DEG C / minute. The rate of temperature increase can be controlled preferably in consideration of the amount of the positive electrode material of the spent lithium ion battery and the final heating temperature, and the positive electrode material can be reduced with higher reaction efficiency by heating at the heating rate within the above range.

한편, 상기 유가금속의 회수 방법은 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질의 수소 환원의 결과물을 이산화탄소 가스와 반응시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 수소 환원의 결과물에는 리튬 금속 및 산화 리튬이 포함될 수 있는데, 이들을 이산화탄소와 반응시킴으로써 탄산 리튬으로 변환시켜서 분리해낼 수 있다. Meanwhile, the recovering method of the valuable metal may further include a step of reacting the result of hydrogen reduction of the cathode material of the spent lithium ion battery with carbon dioxide gas. The result of hydrogen reduction may include lithium metal and lithium oxide, which can be converted into lithium carbonate by separation with carbon dioxide.

특히, 상기 수소 환원의 결과물과 이산화탄소의 반응이 시작된 후 약 2분이 경과된 시점부터, 상기 수소 환원의 결과물에 포함된 리튬 금속 및 산화 리튬으로부터 백색의 고체 형태의 탄산 리튬 결정이 형성될 수 있다. In particular, from about the moment when about two minutes have elapsed since the reaction of the hydrogen reduction product and the carbon dioxide started, a white solid lithium carbonate crystal from the lithium metal and the lithium oxide included in the hydrogen reduction product can be formed.

상기 이산화탄소 가스는 이산화탄소 이외에 질소와 같은 불활성기체 또는 공기가 혼합되어 있을 수 있으며, 상기 이산화탄소 가스가 이산화탄소만 포함하는 가스로 한정되는 것은 아니다. The carbon dioxide gas may be an inert gas such as nitrogen or air mixed in addition to carbon dioxide, and the carbon dioxide gas is not limited to a gas containing only carbon dioxide.

한편, 상기 리튬 화합물을 분리하는 단계의 탄소 환원은 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질과 탄소계 화합물을 반응시킴으로써 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 리튬 화합물을 분리하는 단계의 탄소 환원은 폐 리튬 이온전지의 양극물질에 탄소계 화합물을 투입하고 400℃ 내지 800℃로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. Meanwhile, the carbon reduction in the step of separating the lithium compound may be performed by reacting the positive electrode material of the waste lithium ion battery with the carbon-based compound. Specifically, the carbon reduction in the step of separating the lithium compound may include a step of charging the carbonaceous compound into the cathode material of the spent lithium ion battery and heating the battery to 400 ° C to 800 ° C.

이러한 탄소 환원 반응이 진행됨에 따라서, 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질에 포함된 리튬이 분리 가능한 화합물의 형태, 예를 들어, 탄산 리튬 등으로 전환될 수 있으며, 상기 양극물질에서 리튬 이외의 유가 금속도 환원된 형태로 전환될 수 있다. As the carbon reduction reaction proceeds, the lithium contained in the cathode material of the waste lithium ion battery can be converted into a form of a separable compound, for example, lithium carbonate, etc. In the cathode material, Can also be converted to a reduced form.

상기 양극물질의 환원반응에 첨가되는 탄소계 화합물은 상기에서 정의된 바와 같이 탄소를 함유한 화합물을 통칭하는 것으로써, 그 구성의 한정은 없으나, 환원 반응의 효율을 높이기 위해 화합물 내에 탄소의 함량이 높은 탄소계 화합물을 사용할 수 있다. The carbon-based compound to be added to the reduction reaction of the above-mentioned positive electrode generally refers to a compound containing carbon as defined above, and its constitution is not limited. However, in order to increase the efficiency of the reduction reaction, High carbon compounds can be used.

구체적으로, 상기 탄소계 화합물로 바람직하게는 1 내지 10㎛의 입도(D50)을 갖는 탄소 분말(carbon powder) 또는 활성탄을 사용할 수 있다. 상기 범위의 입도를 가지는 탄소 분말은 표면적이 넓어, 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질과 탄소 분말의 반응이 더욱 용이하게 일어날 수 있고, 특히 양극물질 중 리튬을리튬 화합물로 높은 회수율로 분리해 낼 수 있다. Specifically, as the carbon-based compound, carbon powder or activated carbon having a particle size (D50) of 1 to 10 mu m may be preferably used. The carbon powder having a particle size within the above range has a large surface area, and the reaction between the cathode material and the carbon powder of the waste lithium ion battery can be more easily performed. In particular, lithium in the cathode material can be separated into lithium compounds at a high recovery rate have.

상기 탄소계 화합물은 폐 리튬 이온전지의 양극물질 1몰에 대하여 0.5 내지 2몰 첨가할 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 1.5 몰 첨가할 수 있다. 상기 탄소계 화합물이 과도하게 첨가되는 경우, 미반응 탄소가 불순물로 남을 수 있어, 상기 범위의 몰 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.The carbon-based compound may be added in an amount of 0.5 to 2 moles, preferably 1 to 1.5 moles, per mole of the cathode material of the waste lithium ion battery. When the carbon-based compound is added excessively, unreacted carbon may remain as an impurity, and it is preferable to mix the carbon-based compound in the molar ratio within the above range.

상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질에 상기 탄소계 화합물을 투입한 후 400℃ 내지 800℃로 가열함에 따라서 상기 양극물질에 포함된 유가 금속을 환원시킬 수 있다. 특히, 상기 양극물질에 포함된 유가 금속 화합물은 Li(M)O2 (단, M은 Co, Ni, Mn)의 리튬 복합금속 산화물 형태로 존재할 수 있고, 이들이 탄소계 화합물과 400℃ 내지 800℃에서 반응하여, Li2CO3, Co, Ni, MnO의 형태로 환원 될 수 있다. 즉, 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 상기 탄소 환원 반응으로 탄산 리튬과 같은 리튬 화합물을 형성할 수 있고, 이를 후술할 수세 공정 또는 농축 공정 등을 통해 분리해 낼 수 있다.The carbonaceous compound may be added to the cathode material of the spent lithium ion battery and heated to 400 to 800 ° C to reduce the valuable metal contained in the cathode material. In particular, the valuable metal compound contained in the positive electrode material may be present in the form of lithium composite metal oxide of Li (M) O 2 (where M is Co, Ni, Mn) And can be reduced to the form of Li 2 CO 3 , Co, Ni, MnO. That is, a lithium compound such as lithium carbonate can be formed from the cathode material of the waste lithium ion battery by the carbon reduction reaction, and can be separated through a water washing process or a concentration process, which will be described later.

상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질과 탄소 화합물의 반응에서의 가열 온도 및 가열 시간은 크게 제한은 없으나, 400℃ 내지 800℃의 온도에서 5분 내지 24시간 동안 행해질 수 있다. 상기 가열 온도는 400℃ 내지 800℃의 범위 내에서 조절 가능하지만, 바람직하게는 600℃ 내지 800℃의 온도에서 행해질 수 있다. 상기의 바람직한 온도 범위로 가열 시키는 경우, 리튬 회수율이 높게 나타날 수 있다.The heating temperature and the heating time in the reaction of the cathode material and the carbon compound of the waste lithium ion battery are not particularly limited but may be performed at a temperature of 400 ° C to 800 ° C for 5 minutes to 24 hours. The heating temperature can be adjusted within a range of 400 to 800 占 폚, but preferably at a temperature of 600 to 800 占 폚. In the case of heating to the above preferable temperature range, the lithium recovery rate may be high.

한편, 가열 온도가 400℃ 미만인 경우, 낮은 온도로 인하여 폐 리튬 이온전지의 양극물질 내의 복합금속 산화물의 환원반응이 잘 일어나지 않아 리튬 화합물의 회수율이 낮게 나타날 수 있으며, 800℃를 초과하는 온도로 가열시키면 온도 상승에 따른 회수율의 증가가 적어, 공정의 경제성이 충분히 확보되지 않을 수 있다. On the other hand, when the heating temperature is lower than 400 ° C., the reduction reaction of the composite metal oxide in the cathode material of the waste lithium ion battery does not occur due to the low temperature, so that the recovery rate of the lithium compound may be low. , There is little increase in the recovery rate due to the rise in temperature, and the economical efficiency of the process may not be sufficiently secured.

그리고, 가열 시간은 5분 내지 24시간의 범위에서, 폐 리튬 이온전지의 양극물질의 양 및 온도 조건을 고려하여 바람직하게 조절될 수 있다. 가열 시간이 5분 미만인 경우, 상기 양극물질의 환원 반응이 불충분하게 일어날 수 있고, 24시간을 초과하면, 가열 시간 증가에 따른 리튬 화합물 회수율 상승효과가 미미하여 비경제적이다.The heating time can be suitably adjusted in consideration of the amount of the positive electrode material of the waste lithium ion battery and the temperature condition in the range of 5 minutes to 24 hours. If the heating time is less than 5 minutes, the reduction reaction of the cathode material may occur insufficiently. If the heating time exceeds 24 hours, the effect of increasing the recovery rate of the lithium compound with increase of the heating time is insignificant.

한편, 상기 리튬 화합물을 분리하는 단계는 수소 환원의 결과물 또는 탄소 환원의 결과물을 분쇄하는 단계; 또는 물에 수세하는 단계;를 더 포함할 수 있다. Meanwhile, the step of separating the lithium compound includes a step of crushing the product of hydrogen reduction or the product of carbon reduction; Or water washing step.

보다 구체적으로, 상기 리튬 화합물을 분리하는 단계는 상기 수소 환원 또는 탄소 환원 반응의 가열 단계로부터 생성되는 수소 환원의 결과물 또는 탄소 환원의 결과물로부터 보다 효율적으로 리튬 화합물을 분리해 내기 위하여 상기 수소 환원의 결과물 또는 탄소 환원의 결과물을 분쇄하는 단계를 추가로 더 포함할 수 있다. More specifically, the step of separating the lithium compound is a step of separating the lithium compound from the result of the hydrogen reduction produced from the heating step of the hydrogen reduction or the carbon reduction reaction or the result of the hydrogen reduction Or the step of crushing the result of the carbon reduction.

상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질에 수소 가스 또는 탄소 화합물을 첨가하고 가열하면 리튬 화합물, 리튬 복합금속 산화물 및 리튬 복합금속 산화물에 포함된 복합금속 등을 포함한 덩어리 형태의 입자가 생성될 수 있으며, 이로부터 보다 효율적으로 리튬 화합물을 분리하기 위하여 상기 덩어리 형태의 입자를 분쇄하여 표면적을 높이는 공정을 추가로 수행할 수 있다.When a hydrogen gas or a carbon compound is added to the cathode material of the spent lithium ion battery and heated, massive particles including a lithium compound, a lithium composite metal oxide, and a composite metal contained in the lithium composite metal oxide may be produced, A process of crushing the lumpy particles to increase the surface area can be additionally performed in order to separate the lithium compound more efficiently.

이때, 분쇄를 위해서는 일반적으로 사용되는 핀 밀(pin mill), 해머 밀(hammer mill), 스크류 밀(screw mill), 롤 밀(roll mill), 디스크 밀(disc mill) 또는 조그 밀(jog mill) 등의 장치를 사용할 수 있으나, 상술한 예에 한정되지 않는다. 바람직하게는 중량평균입경이 30내지 500 ㎛가 되도록 분쇄할 수 있으며, 분쇄 후 중량평균입경이 30 ㎛ 미만인 경우에는 분쇄 된 입자의 취급이 용이하지 않을 수 있고, 지나친 분쇄로 인한 공정효율이 떨어지며, 분쇄 후 중량평균입경이 500 ㎛를 초과하는 경우에는 입자의 표면적 증가 효과가 미미하여 분쇄에 따른 용출 공정의 효율 증가가 미미할 수 있다.A mill, a hammer mill, a screw mill, a roll mill, a disc mill, or a jog mill, which are generally used for grinding, May be used. However, the present invention is not limited to the above-described example. Preferably, the weight average particle diameter is 30 to 500 占 퐉. When the weight average particle diameter after pulverization is less than 30 占 퐉, the pulverized particles may not be handled easily, the process efficiency due to excessive pulverization is inferior, When the weight average particle diameter after the pulverization exceeds 500 탆, the effect of increasing the surface area of the particles is insignificant, so that the efficiency of the elution process due to pulverization may be insignificant.

또한, 상기 리튬 화합물을 분리하는 단계는 리튬 화합물을 높은 회수율로 선택적으로 분리해 내기 위하여 추가적으로 수소 환원의 결과물 또는 탄소 환원의 결과물을 물에 수세하는 단계를 더 포함할 수 있다. The step of separating the lithium compound may further include the step of further washing the resultant product of hydrogen reduction or the product of carbon reduction with water to selectively separate the lithium compound at a high recovery rate.

상기 수세하는 단계는 공정 순서에 제한되지 않고 이루어 질 수 있으며, 예를 들어, 가열하는 단계 또는 분쇄하는 단계 이후에 선택적으로 행해 질 수 있으나, 수소 환원 또는 탄소 환원으로 생성된 덩어리 형태의 양극물질을 분쇄하여 표면적을 크게 하고, 수세하는 것이 보다 용이하고, 높은 회수율로 리튬 화합물을 따로 분리해 낼 수 있어 바람직하다.The washing step may be performed without being limited to the process order. For example, it may be performed selectively after the heating step or the pulverizing step, but the lump-shaped positive electrode material produced by hydrogen reduction or carbon reduction It is preferable to crush to increase the surface area, to wash water more easily, and to separate the lithium compound separately at a high recovery rate.

이때, 상기 수세하는 단계는 10℃ 내지 90℃의 물에 10분 내지 24시간 동안 수세할 수 있고, 상기 덩어리 형태의 수소 환원의 결과물 또는 탄소 환원의 결과물의 리튬은 수세하는 단계에서 수산화 리튬, 또는 탄산 리튬과 같은 리튬 화합물 형태로 물에 분리되어 나올 수 있다. 그리고, 상기 리튬 화합물을 포함하는 수용액을 상기 수소 환원의 결과물 또는 탄소 환원의 결과물 중 물에 용해되지 않은 고체 덩어리 물질과 분리하여, 리튬 화합물을 포함하는 수용액을 따로 분리해 낼 수 있으며, 이를 후술할 농축 공정 등을 통해 리튬 화합물 결정을 분리해 낼 수 있다. At this time, the water washing step may be performed by rinsing in water at 10 to 90 ° C for 10 minutes to 24 hours, and lithium hydroxide in the step of rinsing lithium as a result of mass reduction of hydrogen or carbon reduction, It can be separated into water in the form of a lithium compound such as lithium carbonate. The aqueous solution containing the lithium compound can be separated from the resultant hydrogen reduction product or the resultant product of carbon reduction from the solid lump material which is not dissolved in water to separate the aqueous solution containing the lithium compound separately. The lithium compound crystals can be separated through a concentration process or the like.

그리고, 수세 시간은 제한 없으나, 리튬 화합물의 용해도 등을 고려하여 10분 내지 24시간 동안, 보다 바람직하게는 1 시간 내지 12시간 진행할 수 있다. 너무 단시간 수세하는 경우, 용출되는 리튬 화합물의 양이 적을 수 있고, 24시간 초과로 수세하는 경우, 수세 시간 증가에 따른 리튬 화합물의 용출량 증가가 미미하여 경제성이 떨어질 수 있다.The washing time is not limited, but may be 10 minutes to 24 hours, more preferably 1 hour to 12 hours, in consideration of solubility of the lithium compound and the like. If the water is washed for a short time, the amount of the lithium compound to be eluted may be small, and if it is washed more than 24 hours, the increase in the elution amount of the lithium compound due to the increase in washing time is insignificant.

그리고, 상기 수세에 사용되는 물의 양이 크게 한정되는 것은 아니나, 분리되는 리튬 화합물의 순도를 높이고 수세 단계에 의하여 유출되는 성분을 최소화 하기 위하여, 상기 수소 환원 또는 탄소 환원의 결과물을 10g/L 내지 500 g/L의 고액비로 수세하는 것이 바람직하다.In order to increase the purity of the lithium compound to be separated and minimize the components flowing out in the washing step, the amount of the hydrogen reduction or carbon reduction is controlled to 10 g / L to 500 g / L. &lt; / RTI &gt;

또한, 상기 수세하는 단계를 통해 얻은 리튬 화합물이 포함된 수용액을 추가적으로 농축하는 단계를 거쳐 결정형의 리튬 화합물을 얻을 수 있다. 이때 상기 리튬 화합물은 수산화 리튬 또는 탄산 리튬 일 수 있다. 상기 농축의 방법은 감압농축, 동결농축, 증발농축, 가열농축, 침전농축, 역삼투 농축 등 수용액 상에서 결정형을 얻는 농축방법으로 사용될 수 있는 것이라면 제한 없이 선택하여 사용할 수 있다.Further, a crystal form of the lithium compound can be obtained by further concentrating the aqueous solution containing the lithium compound obtained through the washing step. The lithium compound may be lithium hydroxide or lithium carbonate. The method of concentration can be selected and used as long as it can be used as a concentration method for obtaining a crystal form in an aqueous solution such as concentration under reduced pressure, freezing concentration, evaporation concentration, heating concentration, precipitation concentration, reverse osmosis concentration and the like.

본 발명에 따르면, 유가 금속을 회수하기 위하여 첨가한 반응물을 정제하는 공정을 생략할 수 있어 경제적이면서도, 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 높은 순도 및 회수율로 리튬 화합물 및 니켈, 코발트, 망간을 포함하는 금속 화합물을 회수할 수 있는 폐 리튬 이온전지의 양극물질로부터 유가 금속을 회수하는 방법이 제공될 수 있다.According to the present invention, it is possible to omit the step of purifying the reactant added for recovering the valuable metal, and it is economical and economical to use the lithium compound and the nickel compound including nickel, cobalt and manganese at high purity and recovery rate from the cathode material of the spent lithium- A method of recovering a valuable metal from a cathode material of a waste lithium ion battery capable of recovering a metal compound can be provided.

도1은 실시예에서 사용한 환원 장치의 개략도이다.
도2는 수소 환원한 실시예 1 시료의 XRD 그래프이다.
도3은 수소 환원 후 수세한 실시예 1 시료의 XRD 그래프이다.
도4는 수소 환원 후 수세한 실시예 1의 수세액으로의 리튬의침출율을 나타낸 그래프이다.
도5는 실시예 1 시료의 황산에 대한 침출율을 각 금속별로 나타낸 그래프이다.
도6은 실시예 1 시료의 각 온도 별 탄소 환원 반응율과 무게 감량률을 나타낸 그래프이다.
도7은 탄소 환원한 실시예 2 시료의 XRD 그래프이다.
도8은 탄소 환원 후 수세한 실시예 2 시료의 XRD 그래프이다.
도9는 탄소 환원 후 수세한 실시예 2의 수세액으로의리튬의침출율을 나타낸 그래프이다.
도10은 실시예 2에서 얻어진 탄산 리튬 분말의 XRD그래프이다.
도11은 실시예 2에서 얻어진 탄산 리튬 분말의 SEM사진이다.
도12는 실시예 2의 탄소 환원후 수세한 시료의 각 온도별 황산에 대한 침출율을 나타낸 그래프이다.
도13은 탄소 환원 처리 하지 않은 시료 및 실시예 2에서 700℃에서 탄소 환원 후 수세 한 시료의 각 황산 농도별침출율을 나타낸 그래프이다.
도14는 실시예4에서 진행한 추출제의 농도 변화에 따른 실험 결과를 나타난 그래프이다.
도15는 실시예4에서 진행한 수용성 상에 대한 유기 상의 부피 비율에 따른 추출 결과를 나타낸 그래프이다.
도16은 실시예4에서 진행한 추출횟수에 따른 금속 추출율 결과를 나타난 그래프이다.
1 is a schematic view of a reducing apparatus used in the embodiment.
2 is an XRD graph of a hydrogen-reduced sample of Example 1. Fig.
3 is an XRD graph of a sample of Example 1 washed with hydrogen and then washed.
4 is a graph showing the leaching rate of lithium to the washing liquid of Example 1 washed with hydrogen and then washed.
FIG. 5 is a graph showing leaching rates of each sample for sulfuric acid for each metal. FIG.
6 is a graph showing the carbon reduction reaction rate and the weight loss rate of each of the samples according to Example 1;
7 is an XRD graph of a carbon reduced sample of Example 2. Fig.
8 is an XRD graph of a sample of Example 2 washed with water after carbon reduction.
9 is a graph showing the leaching rate of lithium into the wash liquor of Example 2 washed with water after carbon reduction.
10 is an XRD graph of the lithium carbonate powder obtained in Example 2. Fig.
11 is a SEM photograph of the lithium carbonate powder obtained in Example 2. Fig.
12 is a graph showing the leaching rate of sulfuric acid in each sample of the sample washed with water after carbon reduction in Example 2. FIG.
FIG. 13 is a graph showing the leaching rates of the samples not subjected to the carbon reduction treatment and the samples washed at 700 ° C. after the carbon reduction in Example 2 by the respective sulfuric acid concentrations.
14 is a graph showing experimental results according to the concentration change of the extracting agent in Example 4. Fig.
15 is a graph showing extraction results according to the volume ratio of the organic phase to the aqueous phase in Example 4. FIG.
16 is a graph showing the metal extraction ratio results according to the number of times of extraction performed in Example 4. FIG.

발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
The invention will be described in more detail in the following examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

[[ 실시예Example 1: 수소 환원을 통한 유가 금속의 회수] 1: recovery of valuable metal through hydrogen reduction]

1.One. 폐 리튬 이온전지의 양극 물질 시료의 준비Preparation of anode material samples of waste lithium ion batteries

하기 표1 의 금속 성분을 포함하는 양극 물질 시료를 준비하였다.A sample of the positive electrode material containing the metal component of the following Table 1 was prepared.

NiNi CoCo MnMn LiLi AlAl 함량(중량%)Content (% by weight) 31.731.7 10.610.6 15.715.7 6.66.6 0.080.08

*양극 물질 시료는 상기 금속 성분 이외로 잔량의 산소 등을 포함
* The anode material sample contains remaining oxygen and the like other than the above-mentioned metal components

2. 리튬 화합물의 회수단계2. Recovery step of lithium compound

(1) 장치(1) Device

환원 장치는 크게 가열부, 온도조절부, 가스조절부로 구성되어 있으며, 가열부는SiC 발열체를 사용하고, 챔버의 크기는 200mm * 200mm *400mm (가로*세로*길이)이며, 온도조절부는 R-type 열전대와 PID 온도제어장치를 이용하였다. 가스조절부는 3가지 종류의 가스를 흘려 보낼 수 있도록 설계 하였으며, 수소가스 및 질소가스가 정량적으로 흘러 들어 갈 수 있도록 5L/min용 flow meter를 장착하였다. 사용한 환원 장치의 개략도는 도 1과 같다.The reducing unit is composed of a heating unit, a temperature adjusting unit and a gas adjusting unit. The heating unit uses a SiC heating element. The chamber has a size of 200 mm * 200 mm * 400 mm (width * length * A thermocouple and a PID temperature controller were used. The gas control unit was designed to flow three types of gas, and a flow meter for 5 L / min was installed to allow hydrogen gas and nitrogen gas to flow quantitatively. A schematic view of the used reducing apparatus is shown in Fig.

(2) 수소 환원 단계(2) Hydrogen reduction step

챔버 내부의 온도를 5℃/min의 속도로 반응 온도까지 승온하는 동안 질소가스를 1L/min의 속도로 흘렸다. 그리고, 반응 온도에 도달하면 상기 1에서 제조한 양극 물질 시료 100g을 환원 장치에 투입하고, 99% 이상의 순도를 갖는 수소 가스를 흘리면서 1시간 동안 반응 온도를 유지하였다. Nitrogen gas was flowed at a rate of 1 L / min while raising the temperature inside the chamber to the reaction temperature at a rate of 5 캜 / min. When the reaction temperature was reached, 100 g of the positive electrode material sample prepared in the above step 1 was introduced into a reduction apparatus, and the reaction temperature was maintained for 1 hour while flowing hydrogen gas having a purity of 99% or more.

유지시간이 끝난 후에는 수소 가스를 잠그고 챔버의 산화를 막기 위하여 약 200℃까지 챔버의 온도가 떨어질 때까지 질소가스를 흘려주었으며, 또한 챔버의 밀폐를 위한 고무링의 손상을 막기 위하여 실험하는 동안에는 냉각수를 챔버에 흘려주었다.After the holding time, nitrogen gas was flowed until the temperature of the chamber dropped to about 200 ° C in order to block the hydrogen gas and prevent the oxidation of the chamber. In order to prevent damage of the rubber ring for sealing the chamber, Was poured into the chamber.

다른 조건은 동일하게 한 채, 반응 온도를 400℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃의 5가지 온도 조건으로 달리하여 5회 실험하였고, 각 온도 별 수소 환원 단계 전 후의 시료의 무게와 환원율, 시료의 상태를 하기 표 2에 나타내었다.The other conditions were the same, and the reaction temperature was varied five times under the five temperature conditions of 400 ° C., 500 ° C., 600 ° C., 700 ° C. and 800 ° C., and the weight of the sample before and after the hydrogen reduction step Reduction ratio and the state of the sample are shown in Table 2 below.

조건Condition 시료의 무게(g)Weight of sample (g) 시료의 무게 감소율(%)Weight Reduction Rate (%) 환원율(%)Reduction rate (%) 환원 후 시료의 상태The state of the sample after reduction 환원전Before reduction 환원후After reduction 400℃, 1h400 ° C, 1h 100.21100.21 98.8198.81 1.41.4 8.48.4 분말powder 500℃, 1h500 ° C, 1h 100.13100.13 92.6492.64 7.57.5 45.145.1 덩어리Lump 600℃, 1h600 ° C, 1h 100.00100.00 86.2286.22 13.813.8 71.071.0 덩어리Lump 700℃, 1h700 ° C, 1h 100.07100.07 87.0787.07 13.013.0 78.378.3 덩어리Lump 800℃, 1h800 ° C, 1h 100.10100.10 84.6284.62 15.515.5 93.393.3 덩어리Lump

(3) 수세 단계(3) Washing step

상기 수소환원 처리한 시료의 분말 100g을 1L의 물에 넣고 1시간 동안 수세하였다. 그리고, 시료의 수세액 500ml에 CO2가스를 1L/min으로 30분 동안 흘려주어 백색의 탄산 리튬 입자 18g을 얻었다. 100 g of the powder of the sample subjected to the hydrogen reduction treatment was put into 1 L of water and was rinsed with water for 1 hour. Then, CO 2 gas was flowed at a rate of 1 L / min for 30 minutes to 500 ml of the washing solution of the sample to obtain 18 g of white lithium carbonate particles.

수소 환원한 시료 및, 수소 환원 후 수세 한 시료의 XRD 그래프를 도2, 3에 나타내었고, 시료의 수세액의 리튬 함량을 분석하여 리튬의침출율을 도 4에 나타내었다. The XRD graphs of the hydrogen-reduced sample and the sample washed after hydrogen reduction are shown in FIGS. 2 and 3, and the lithium content of the wash liquid of the sample is analyzed, and the leaching rate of lithium is shown in FIG.

* 리튬의침출율 = 수세액의리튬 함량/초기 시료의 리튬 함량
* Leaching rate of lithium = lithium content of wash water solution / lithium content of initial sample

3. 니켈, 코발트, 망간을 포함하는 금속 화합물을 분리하는 단계 3. Separation of metal compounds including nickel, cobalt and manganese

수소 환원 처리 하지 않은 시료 및 상기 500℃에서 수소 환원 후 수세 한 시료를 1M, 2M, 3M, 4M 농도의 황산에 100g/L 의 고액비로 투입하여 황산에 침출시켰다. A sample not subjected to hydrogen reduction treatment and a sample washed with water after hydrogen reduction at 500 ° C were introduced into sulfuric acid at a concentration of 1M, 2M, 3M and 4M at a liquid ratio of 100 g / L and leached in sulfuric acid.

그리고, 상기 시료의 황산에 대한 침출율을 각 금속별로 도 5에 나타내었다.
The leaching rate of the sample with respect to sulfuric acid is shown in FIG. 5 for each metal.

4. 결과 분석4. Analyze Results

(1) 상기 표 2에 따르면, 상기 실시예 1의 수소를 이용한 환원반응에 따른 시료의 무게 감소는 400℃부터 이루어졌으며, 특히, 600℃이상에서 13%이상의 큰 감소를 보였다. 상기 시료 무게의 감소는 환원 반응으로 생성된 수증기 기체에 의하여 나타나며, 이는 환원율에도 반영되어, 600℃이상에서 70%이상의 높은 환원율을 보였다.(1) According to the above Table 2, the weight reduction of the sample according to the reduction reaction using the hydrogen of Example 1 was from 400 ° C, and a large decrease of more than 13% was observed especially above 600 ° C. The reduction of the weight of the sample is caused by the water vapor generated by the reduction reaction, which is reflected in the reduction ratio, and shows a high reduction ratio of 70% or more at 600 ° C or more.

(2) 그리고, 상기 실시예1에서 수소 환원한 시료 및 수소 환원 후 수세 한 시료의 결정 변화를 도2 및 도3의 XRD 그래프로 평가할 수 있다. 보다 구체적으로, 400℃에서는 Li(NCM)O2 피크가 약간 존재하였으나, 500℃에서는 Li(NCM)O2 피크가 존재하지 않고, Co/Ni, MnO, Li2O 피크가 존재하였으며, 600℃부터는 LiMnO2의 피크가 생성되기 시작하였다. 따라서, 상기 그래프로부터 400℃에서는 시료가 환원되지 않고, 초기 상태로 대부분 존재하나, 500℃ 이상부터 환원되어 Co, Ni, MnO, Li2O가 생성되는 것을 유추할 수 있다. 다만, 600℃이상에서는 고온에서 분해된 망간산화물이 다시 리튬과 반응하여 LiMnO2를 생성한 것으로 추정된다. (2) The crystal change of the hydrogen reduced sample and the sample washed after hydrogen reduction in Example 1 can be evaluated by the XRD graphs of FIGS. 2 and 3. More specifically, in the 400 ℃ but Li (NCM) O 2 peak is slightly present, the 500 ℃ not present and the Li (NCM) O 2 peak, was a Co / Ni, MnO, Li 2 O peak exists, 600 ℃ A peak of LiMnO 2 began to be generated. Therefore, from the graph, it can be deduced that Co, Ni, MnO, and Li 2 O are produced at a temperature of 500 ° C or higher because the sample is not reduced at 400 ° C and mostly exists in an initial state. However, at 600 ℃ or higher, it is assumed that the manganese oxide decomposed at high temperature reacted with lithium again to generate LiMnO 2 .

(3) 또한, 수소 환원 반응 후 수세한 침출액의 리튬 함량을 분석하여 구한 침출율은 도4에 나타난 바와 같이 500℃ 이상에서 75% 이상으로 나타났으며, 회수된 탄산 리튬의 순도는 약 99%로 확인되었다. (3) The leaching rate obtained by analyzing the lithium content of the leached solution after the hydrogen reduction reaction was found to be 75% or more at 500 ° C. or higher as shown in FIG. 4. The purity of recovered lithium carbonate was about 99% Respectively.

(4) 그리고, 상기 시료를 환원처리하기 전후의 황산 침출 결과 및 황산의 농도별침출율을 나타내는 그래프인 도5에 나타난 바와 같이, 수소환원 처리에 의하여 2M 황산농도에서 코발트와 니켈의 침출 효율이 각각 32% 및 45%만큼 향상되었으며, 망간의 경우에는 90% 정도 향상되었다. 또한, 수소환원 처리한 시료의 3M 황산용액에의 침출율은 코발트 89%, 니켈 99% 이상, 망간 99% 이상을 나타내어, 상기 수소환원 방법을 이용하여 매우 높은 침출율로 상기 코발트, 니켈, 망간 유가금속을 황산에 침출시킬 수 있음이 확인되었다.
(4) As shown in FIG. 5, which is a graph showing the leaching rate of sulfuric acid before and after the reduction treatment of the sample and the leaching rate of sulfuric acid by concentration, the leaching efficiency of cobalt and nickel at 2M sulfuric acid concentration Respectively, by 32% and 45%, respectively, and by manganese by 90%. The leaching rate of the sample subjected to the hydrogen reduction treatment into the 3M sulfuric acid solution showed 89% of cobalt, 99% or more of nickel and 99% or more of manganese, and the cobalt, nickel and manganese It was confirmed that lean metal could be leached into sulfuric acid.

[[ 실시예Example 2: 탄소 환원을 통한 유가 금속의 회수] 2: recovery of valuable metal through carbon reduction]

1. 양극 물질 시료의 준비1. Preparation of anode material samples

하기 표3 의 금속 성분을 포함하는 양극 물질 시료를 준비하였다.A sample of the positive electrode material containing the metal components of the following Table 3 was prepared.

NiNi CoCo MnMn LiLi AlAl 함량(중량%)Content (% by weight) 9.69.6 8.28.2 34.734.7 5.45.4 1.31.3

*양극 물질 시료는 상기 금속 성분 이외로 잔량의 산소 등을 포함
* The anode material sample contains remaining oxygen and the like other than the above-mentioned metal components

2. 리튬 화합물의 회수단계2. Recovery step of lithium compound

(1) 탄소 환원 단계(1) Carbon reduction step

상기 1에서 제조한 양극 물질 시료 및 탄소 분말을 1:1.5의 몰 비로 혼합하여 제조한 혼합물 100g을 환원 장치에 투입하는 것을 제외하고는, 실시예1과 동일한 방법으로 400℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃의 5가지 반응 온도 조건에서 5회 실험하였고, 각 온도 별 탄소 환원 반응율과 무게 감량률을 표4 및 도 6에 나타내었다.500 ° C. and 600 ° C. in the same manner as in Example 1, except that 100 g of the mixture prepared by mixing the positive electrode material sample prepared in 1 and the carbon powder at a molar ratio of 1: , 700 ° C, and 800 ° C. The carbon reduction reaction rate and the weight loss rate at each temperature are shown in Tables 4 and 6.

조건Condition 시료의 무게 감소율(%)Weight Reduction Rate (%) 400℃, 1h400 ° C, 1h 33 500℃, 1h500 ° C, 1h 77 600℃, 1h600 ° C, 1h 88 700℃, 1h700 ° C, 1h 1313 800℃, 1h800 ° C, 1h 1515

(2) 수세 단계(2) Washing step

상기 탄소 환원 처리한 시료의 분말 액고비 40으로 물에 넣고 3시간 동안 수세하였다. 탄소 환원한 시료 및, 탄소 환원 후 수세 한 시료의 XRD 그래프를 도7, 8에 나타내었고, 시료의 수세액의 리튬 함량을 분석하여 리튬의 침출율을 도 9에 나타내었다. The sample subjected to the carbon reduction treatment was put in water at a powder liquid ratio of 40 and was washed with water for 3 hours. The XRD graphs of the carbon reduced sample and the sample washed after the carbon reduction are shown in FIGS. 7 and 8, and the lithium content of the wash liquid of the sample is analyzed, and the leaching rate of lithium is shown in FIG.

(3) 증발 농축 단계(3) Evaporation Concentration Step

그리고, 상기 탄소 환원 처리된 시료의 수세액을 온도 70℃, 압력 100mbar조건으로 증발농축기를 사용하여 농축시켜 탄산 리튬을 회수하였으며, 제조된 탄산 리튬 분말의 순도는 약 99% 이상이었다. 상기 탄산 리튬 분말에 대한 XRD 및 SEM의 결과를 도10과 도11에 나타내었다.
Then, lithium carbonate was recovered by concentrating the wash water of the sample subjected to the carbon reduction treatment at a temperature of 70 ° C and a pressure of 100 mbar using an evaporator, and the purity of the lithium carbonate powder was about 99% or more. The XRD and SEM results of the lithium carbonate powder are shown in FIGS. 10 and 11. FIG.

3. 니켈, 코발트, 망간을 포함하는 금속 화합물을 분리하는 단계 3. Separation of metal compounds including nickel, cobalt and manganese

(1) 상기 탄소 환원 후 수세한 시료를 2M 농도의 황산에 100g/L 의 고액비로침출시키고, 각 온도 별 상기 시료의 황산에 대한 침출율을 도 12에 나타내었다. (1) The sample washed with water after the carbon reduction was leached at a liquid ratio of 100 g / L to 2 M sulfuric acid, and the leaching rate of the sample with respect to sulfuric acid at each temperature is shown in FIG.

(2) 그리고, 탄소 환원 처리 하지 않은 시료 및 상기 700℃에서 탄소 환원 후 수세 한 시료를 1M, 2M, 3M, 4M 농도의 황산에 100g/L 의 고액비로 투입하여 황산에 침출시켰다. 그리고, 상기 시료의 황산에 대한 침출율을 각 금속별로 도 13에 나타내었다.
(2) A sample not subjected to the carbon reduction treatment and a sample washed with water after the carbon reduction at 700 ° C were introduced into sulfuric acid at a concentration of 1M, 2M, 3M and 4M at a liquid ratio of 100 g / L and leached in sulfuric acid. The leaching rate of the sample with respect to sulfuric acid is shown in FIG. 13 for each metal.

4. 결과 분석 4. Analyze Results

(1) 상기 표 4및 도6에 따르면, 상기 실시예 2의 탄소를 이용한 환원반응에 따른 시료의 무게 감소는 400℃부터 이루어졌으며, 특히, 700℃이상에서 13%이상의 큰 감소를 보였다. 상기 시료 무게의 감소는 환원 반응으로 생성된 일산화탄소 기체에 의하여 나타나며, 이는 환원율에도 반영되어, 700℃이상에서 70%이상의 높은 환원율을 보였다.(1) According to the above Table 4 and FIG. 6, the weight reduction of the sample according to the reduction reaction using the carbon of Example 2 was from 400 ° C, and a large decrease of more than 13% was observed above 700 ° C. The reduction of the weight of the sample was caused by the carbon monoxide gas generated by the reduction reaction, which was also reflected in the reduction rate, and showed a high reduction ratio of 70% or more at 700 ° C or more.

(2) 그리고, 상기 실시예2에서 탄소 환원한 시료 및 수소 환원 후 수세 한 시료의 결정 변화를 도7 및 도8의 XRD 그래프로 평가할 수 있다. 보다 구체적으로, 400℃에서는 Li(NCM)O2 피크가 존재하였으나, 500℃부터는 Li(NCM)O2 피크가 변하기 시작하여, 600℃부터는 Co, Ni, MnO, Li2CO3 피크가 존재하였다. 따라서, 상기 그래프로부터 400℃에서는 시료가 환원되지 않고, 초기 상태로 대부분 존재하나, 500℃ 이상부터 환원되어 Co, Ni, MnO, Li2CO3가 생성되는 것을 유추할 수 있다. 다만, 상기 실시예2의 탄소 환원에서는 실시예1과는 달리 600℃이상에서도 LiMnO2의 피크가 생성되지 않는 것으로 보아, 망간산화물이 고온에서도 탄소환원 되지 않는 것으로 추정된다.(2) The crystal change of the sample reduced in carbon and the sample washed after hydrogen reduction in Example 2 can be evaluated by the XRD graphs of FIGS. 7 and 8. More specifically, there existed a Li (NCM) O 2 peak at 400 ° C., but the Li (NCM) O 2 peak began to change from 500 ° C., and there existed Co, Ni, MnO and Li 2 CO 3 peaks at 600 ° C. . Therefore, from the graph, it can be deduced that Co, Ni, MnO, and Li 2 CO 3 are produced from the sample at a temperature of 500 ° C. or higher, although the sample is not reduced at 400 ° C. and is mostly present in an initial state. However, unlike in Example 1, the peak of LiMnO 2 was not generated at 600 ° C or higher in the carbon reduction of Example 2, and it is estimated that the manganese oxide is not carbon reduced at a high temperature.

또한, 수소 환원 반응 후 수세한 침출액의 리튬 함량을 분석하여 구한 침출율은 도9에 나타난 바와 같이 600℃ 이상에서 급격히 증가하여 60% 이상으로 나타났으며, 600℃부터 리튬의 침출율이 급격히 증가한 이유는 600℃부터 리튬이 탄소와 반응하여 Li2CO3을 생성하였기 때문이라 추정된다. 그리고, 회수된 탄산 리튬의 순도는 약 99%로 확인되었으며, 탄산 리튬 입자에 대한 XRD 및 SEM 사진인 도10 및 도 11로부터 상기 탄산 리튬은 부정형의 모양으로 생성됨을 알수 있다.As shown in FIG. 9, the leaching rate obtained by analyzing the lithium content of the leached solution after the hydrogen reduction reaction was 60% or more at a temperature of 600 ° C. or higher, and the leaching rate of lithium from 600 ° C. The reason for this is presumably because lithium reacts with carbon at 600 ° C to produce Li 2 CO 3 . The purity of recovered lithium carbonate was found to be about 99%. From FIGS. 10 and 11, which are XRD and SEM photographs of the lithium carbonate particles, it can be seen that the lithium carbonate is formed in the shape of an irregular shape.

(4) 그리고, 상기 시료를 환원처리하기 전후의 황산 침출 결과 및 황산의 농도별 침출율을 나타내는 그래프인 도12 및 도13에 나타난 바와 같이, 탄소환원 처리에 의하여 2M 황산농도에서 코발트와 니켈의 침출 효율이 각각 40% 및 45%만큼 향상되었으며, 망간의 경우에는 환원 처리 전 황산에는 거의 침출이 되지 않았지만, 환원 처리 후 산화망간으로 변함에 따라 99% 이상 향상되었다. 또한, 탄소환원 처리한 시료의 2M 이상의 황산용액에의 침출율은 코발트, 니켈, 망간 모두 99% 이상을 나타내어, 상기 탄소환원 방법을 이용하여 매우 높은 침출율로 상기 코발트, 니켈, 망간 유가금속을 황산에 침출시킬 수 있음이 확인되었다.
(4) As shown in Figs. 12 and 13, which are graphs showing the results of leaching of sulfuric acid before and after the reduction treatment of the sample and the leaching rates of sulfuric acid according to the concentration of sulfuric acid, cobalt and nickel The leaching efficiency was improved by 40% and 45%, respectively. In the case of manganese, there was almost no leaching in the sulfuric acid before the reduction treatment, but it was improved more than 99% according to the reduction to manganese oxide after the reduction treatment. In addition, the leaching rate of the sample subjected to the carbon reduction treatment to a sulfuric acid solution of 2M or more shows 99% or more of all of cobalt, nickel and manganese, and the cobalt, nickel, It was confirmed that leaching can be carried out with sulfuric acid.

[[ 비교예1Comparative Example 1 :황산 침출 용액에서 유가 금속의 회수]: Recovery of valuable metal in sulfuric acid leaching solution]

리튬이온전지 제조공정에서 발생하는 NCM계 양극스크랩을 탄소 화합물을 이용하여 환원시킨 후(실시예2의 방법), 리튬을 제거하여 황산에 침출한 용액을 준비하였다. 이러한 황산 침출 용액의 조성은 왕수로 침출한 후 ICP (Inductively Coupled Plasma, GBC Integra XL)로 분석하여 확인하였으며, 그 결과를 하기 표5에 나타내었다.The NCM-based anode scrap generated in the lithium ion battery manufacturing process was reduced using a carbon compound (the method of Example 2), and a solution was prepared by removing lithium and leaching into sulfuric acid. The composition of the sulfuric acid leaching solution was analyzed by ICP (Inductively Coupled Plasma, GBC Integra XL) after leaching into the water. The results are shown in Table 5 below.

황산 침출 용액의 조성Composition of sulfuric acid leaching solution NiNi CoCo MnMn LiLi 농도(g/L)Concentration (g / L) 45.9745.97 27.9427.94 18.0118.01 00

그리고, 상기 황산 침출 용액의 pH를 5.5로 조절하고, 여기에 추출제가 함유된 유기상을 혼합하여 일정시간 반응을 시킨 후에 약 60분 정도 정치시킨 다음 상분리를 하여 수용액상을 여과하여 금속 이온은 농도를 측정하여 각 금속에 대한 분배계수, 분리계수 및 추출율을 구하여 하기 표6에 나타내었다.Then, the pH of the sulfuric acid leaching solution was adjusted to 5.5, and the organic phase containing the extractant was mixed. After reacting for a predetermined period of time, the solution was allowed to stand for about 60 minutes, and phase separation was performed to filter the aqueous phase. And the distribution coefficient, separation factor and extraction ratio for each metal were determined and are shown in Table 6 below.

이때, 희석제는 등유 성분에서 아로마향을 제거한 Escaid100을 사용하였으며, 용매추출 실험을 위해 사용한 추출제로서 망간 제거를 위하여 D2EHPA (di-2-ethylhexyl phosphoric acid)와 코발트와 니켈 분리를 위하여 PC88A (2-ethylhexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester), Cyanex272 (di-2,4,4,-trimethylpentyl phosphinic)를 사용하였다.
Escaid 100 was used to remove the aroma of the kerosene component. D2EHPA (di-2-ethylhexyl phosphoric acid) was used as the extractant for the removal of manganese and PC88A (2- ethylhexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester) and Cyanex272 (di-2,4,4-trimethylpentyl phosphinic).

용매 추출의 결과Results of solvent extraction 추출제
(농도:부피%)
Extractant
(Concentration:% by volume)
O/A ratioO / A ratio 조절 pHControlled pH 금속 성분Metal component 분배계수
D
Distribution coefficient
D
분리계수
β
Separation factor
beta
추출율
E(%)
Extraction rate
E (%)
PC88A-10%PC88A-10% 1One 7.07.0 CoCo 1.111.11 DCo/DNi=1.20D Co / D Ni = 1.20 52.652.6 NiNi 0.930.93   48.148.1 MnMn 2.392.39 DMn/DNi=2.58D Mn / D Ni = 2.58 70.570.5 PC88A-15%PC88A-15% 1One 5.25.2 CoCo 1.361.36 DCo/DNi=1.49D Co / D Ni = 1.49 57.657.6 NiNi 0.910.91   47.747.7 MnMn 3.943.94 DMn/DNi=4.31D Mn / D Ni = 4.31 79.879.8 PC88A-20%PC88A-20% 1One 4.24.2 CoCo 1.411.41 DCo/DNi=1.62D Co / D Ni = 1.62 58.458.4 NiNi 0.870.87   46.446.4 MnMn 3.943.94 DMn/DNi=4.54D Mn / D Ni = 4.54 79.779.7 Cyanex272-10%Cyanex 272-10% 22 5.55.5 CoCo 1.601.60 DCo/DNi=1.82D Co / D Ni = 1.82 76.276.2 NiNi 0.880.88   63.863.8 MnMn 3.543.54 DMn/DNi=4.02D Mn / D Ni = 4.02 87.687.6 Cyanex272-15%Cyanex272-15% 22 4.44.4 CoCo 1.321.32 DCo/DNi=1.92D Co / D Ni = 1.92 72.672.6 NiNi 0.690.69   57.957.9 MnMn 3.013.01 DMn/DNi=4.37D Mn / D Ni = 4.37 85.885.8 Cyanex272-20%Cyanex 272-20% 22 4.14.1 CoCo 1.271.27 DCo/DNi=2.00D Co / D Ni = 2.00 71.771.7 NiNi 0.630.63   55.955.9 MnMn 3.063.06 DMn/DNi=4.82D Mn / D Ni = 4.82 86.086.0

상기 표 6에 나타난 바와 같이, 망간과 니켈의 비 (Mn/Ni)가 약 39% 일 경우, 코발트와 니켈 분리에 효과가 있다는 용매인 PC88A와 Cyanex27215-17)를 사용하였음에도 불구하고 분리계수가 <10 이하로 코발트와 니켈의 분리가 원활하게 이루어지지 않음을 알 수 있었으며, PC88A보다는 Cyanex272가 전체적으로 코발트 및 망간의 추출율이 다소 높음을 알 수 있었다.As shown in Table 6 above, when the ratio of manganese to nickel (Mn / Ni) is about 39%, the separation coefficients of the PC88A and Cyanex27215-17, which are effective solvents for separating cobalt and nickel, 10, it was found that cobalt and nickel were not separated smoothly. Cyanex272 rather than PC88A was found to have a higher extraction rate of cobalt and manganese as a whole.

또한, 니켈의 경우, 수상으로 분리하여야 하는데 유기상으로 약 40% 정도가 넘어가는 현상을 보였으며, 이는 망간의 함량이 너무 높아 코발트와 니켈을 분리하는데 방해하기 때문으로 판단된다. 이에 결론적으로 망간을 많이 함유하고 있는 NCM 용액에서는 용매추출로 분리하는 것이 비효율적임을 알 수 있었다.
In the case of nickel, it should be separated by water, but the organic phase is about 40%, which is because the content of manganese is too high to prevent the separation of cobalt and nickel. As a result, it was found that it is inefficient to separate the NCM solution containing manganese in the solvent.

[[ 실시예3Example 3 : 산화제를 이용한 황산 침출 용액의 망간의 제거 및 용매추출]: Removal of manganese from sulfuric acid leaching solution using an oxidizing agent and solvent extraction]

(1) 황산 침출 용액에서 망간의 제거(1) Removal of manganese from the sulfuric acid leaching solution

리튬이온전지 제조공정에서 발생하는 NCM계 양극스크랩을 탄소 화합물을 이용하여 환원시킨 후(실시예2의 방법), 리튬을 제거하여 황산에 침출한 용액을 준비하였다. 이러한 황산 침출 용액의 조성은 상기 비교예1에서와 동일하다. The NCM-based anode scrap generated in the lithium ion battery manufacturing process was reduced using a carbon compound (the method of Example 2), and a solution was prepared by removing lithium and leaching into sulfuric acid. The composition of this sulfuric acid leaching solution was the same as in Comparative Example 1 above.

상기 황산 침출 용액의 pH를 하기 표7에 기재된 수치로 조절하였다. 그리고, 증류수에 과망간산칼륨을 첨가하여 용액화한 후, 상기 황산 침출 용액에 포함된 망간 양을 계산하여 상기 과망간산칼륨 수용액을 첨가하고(하기 표7에 기재된 비율), 1시간 후에 여과하여 여과액을 정량분석을 실시하였다. 이러한 과망간산칼륨에 의한 망간의 제거 효율 및 코발트 및 니켈에 대한 영향의 결과를 표7에 나타내었다.
The pH of the sulfuric acid leach solution was adjusted to the values shown in Table 7 below. Then, potassium permanganate was added to the distilled water to make a solution. The amount of manganese contained in the sulfuric acid leaching solution was calculated, and the potassium permanganate aqueous solution was added (ratio shown in Table 7 below). After 1 hour, Quantitative analysis was performed. The results of the removal efficiency of manganese by potassium permanganate and the effect on cobalt and nickel are shown in Table 7.

반응 조건
1) 용액의 pH
2) 망간/과망간산칼륨의당량비율
Reaction conditions
1) pH of solution
2) Equivalent ratio of manganese / potassium permanganate
코발트 침출율
(Co leaching rate)
Cobalt leaching rate
(Co leaching rate)
니켈 침출율
(Ni  leaching rate)
Nickel leaching rate
(Ni leaching rate)
망간 침출율
(Mn  leaching rate)
Manganese leaching rate
(Mn leaching rate)
Mn/Ni
(%)
Mn / Ni
(%)
pH=2
Mn/KMnO4=1.5
pH = 2
Mn / KMnO 4 = 1.5
63.5%63.5% 72.6%72.6% 3.5%3.5% 2.02.0
pH=3
Mn/KMnO4=1.5
pH = 3
Mn / KMnO 4 = 1.5
58.9%58.9% 64.2%64.2% 3.0%3.0% 1.91.9
pH=4
Mn/KMnO4=1.5
pH = 4
Mn / KMnO 4 = 1.5
55.6%55.6% 61.2%61.2% 2.1%2.1% 1.41.4
pH=2, 
Mn/KMnO4=4.5
pH = 2,
Mn / KMnO 4 = 4.5
61.6%61.6% 58.5%58.5% 20.6%20.6% 13.413.4
pH=2, 
Mn/KMnO4=4.0
pH = 2,
Mn / KMnO 4 = 4.0
63.2%63.2% 60.2%60.2% 22.5%22.5% 14.214.2
pH=2, 
Mn/KMnO4=3.5
pH = 2,
Mn / KMnO 4 = 3.5
70.0%70.0% 70.8%70.8% 17.2%17.2% 9.29.2
pH=2, 
Mn/KMnO4=3.0
pH = 2,
Mn / KMnO 4 = 3.0
63.8%63.8% 65.5%65.5% 8.8%8.8% 5.15.1
pH=2, 
Mn/KMnO4=2.0
pH = 2,
Mn / KMnO 4 = 2.0
50.4%50.4% 61.5%61.5% 2.5%2.5% 2.62.6
pH=4, 
Mn/KMnO4=2.5
pH = 4,
Mn / KMnO 4 = 2.5
62.4%62.4% 73.8%73.8% 15.2%15.2% 8.48.4
pH=4, 
Mn/KMnO4=2.0
pH = 4,
Mn / KMnO 4 = 2.0
61.9%61.9% 75.1%75.1% 2.9%2.9% 1.61.6

상기 표7에 나타난 바와 같이, 망간의 양에 대하여 과망간산칼륨을 소정의 당량비로 넣고 여러 가지 pH로 실험한 경우, 망간제거 효율은 약 75% 이상 또는 95% 이상이었고, 망간 침전에 의해 코발트 및 니켈도 침전되어 NCM 용액 중에 코발트는 56 내지 64%, 니켈은 61 내지 73% 존재하는 것으로 확인되었다. As shown in Table 7, when the potassium permanganate was added at a predetermined equivalent ratio to the amount of manganese and tested at various pHs, the manganese removal efficiency was about 75% or more or 95% or more. When manganese was precipitated, cobalt and nickel Was also found to be present in the NCM solution in the presence of 56 to 64% of cobalt and 61 to 73% of nickel.

그리고, 망간 대비 니켈의 양을 계산하여 보면, 망간을 제거하기 전의 비 (Mn/Ni)는 약39%에서 최대 1.4%까지 낮아졌다. 이에 Mn/Ni에 따른 코발트 및 니켈을 분리하기 위하여 망간을 제거한 용액을 Mn/Ni=5.1%(NCM용액 중에 망간의 농도는 약 1500ppm)을 이용하여 용매추출 실험을 실시하였다.
When the amount of nickel relative to manganese is calculated, the ratio (Mn / Ni) before removing manganese is lowered from about 39% to 1.4%. In order to separate cobalt and nickel according to Mn / Ni, a solution of manganese removed was subjected to solvent extraction test using Mn / Ni = 5.1% (concentration of manganese in NCM solution is about 1500 ppm).

(2) 망간이 제거된 황산 침출 용액에서 니켈과 코발트 및 잔류 망간의 분리(2) Separation of nickel, cobalt and residual manganese from the manganese-free sulfuric acid leaching solution

상기 망간을 제거한 용액(Mn/Ni=5.1%, NCM용액 중에 망간의 농도는 약 1500ppm)의 pH를 5.5로 조절하고, 여기에 추출제가 함유된 유기상을 혼합하여 일정시간 반응을 시킨 후에 약 60분 정도 정치시킨 다음 상분리를 하여 수용액상을 여과하여 금속 이온은 농도를 측정하여 각 금속에 대한 분배계수, 분리계수 및 추출율을 구하여 하기 표6에 나타내었다.The pH of the solution in which the manganese was removed (Mn / Ni = 5.1%, the concentration of manganese in the NCM solution was about 1500 ppm) was adjusted to 5.5, and the organic phase containing the extractant was mixed and reacted for a predetermined time. And the phase separation was performed. The aqueous phase was filtered to measure the concentration of metal ions, and the partition coefficient, separation factor and extraction ratio for each metal were determined and are shown in Table 6 below.

이때, 희석제는 등유 성분에서 아로마향을 제거한 Escaid100을 사용하였으며, 용매추출 실험을 위해 사용한 추출제로서 코발트와 니켈 분리를 위하여 PC88A (2-ethylhexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester), Cyanex272 (di-2,4,4,-trimethylpentyl phosphinic)를 사용하였다. Escaid 100 was used as a diluent. Escherichia coli (Escaid 100) was used as a diluent. As an extractant for solvent extraction, PC88A (2-ethylhexyl phosphonic acid mono-2-ethylhexyl ester), Cyanex272 2,4,4, -trimethylpentyl phosphinic) was used.

상기 용매 추출 결과를 하기 표8에 나타내었다. The solvent extraction results are shown in Table 8 below.

 사용 용매 / 농도(부피%)Solvent / concentration used (vol%) O/A ratioO / A ratio 조절 pHControlled pH 금속 성분Metal component 분배계수
D
Distribution coefficient
D
분리계수
β
Separation factor
beta
추출율
E(%)
Extraction rate
E (%)
PC88A-10%PC88A-10% 1One 7.47.4 CoCo 44.244.2 DCo/DNi=43D Co / D Ni = 43 97.897.8 NiNi 1.01.0   51.051.0 MnMn 253.5253.5 DMn/DNi=244D Mn / D Ni = 244 99.699.6 PC88A-15%PC88A-15% 1One 5.95.9 CoCo 47.547.5 DCo/DNi=50D Co / D Ni = 50 97.997.9 NiNi 1.01.0   48.748.7 MnMn 304.4304.4 DMn/DNi=321D Mn / D Ni = 321 99.799.7 PC88A-20%PC88A-20% 1One 5.55.5 CoCo 26.426.4 DCo/DNi=36D Co / D Ni = 36 96.496.4 NiNi 0.70.7   42.642.6 MnMn 151.7151.7 DMn/DNi=204D Mn / D Ni = 204 99.399.3 Cyanex272-10%Cyanex 272-10% 22 6.36.3 CoCo 371.0371.0 DCo/DNi=1529D Co / D Ni = 1529 99.999.9 NiNi 0.20.2   32.732.7 MnMn 1526.01526.0 DMn/DNi=6290D Mn / D Ni = 6290 100100 Cyanex272-15%Cyanex272-15% 22 5.65.6 CoCo 256.5256.5 DCo/DNi=13996D Co / D Ni = 13996 99.899.8 NiNi 0.020.02   3.53.5 MnMn 609.8609.8 DMn/DNi=33269D Mn / D Ni = 33269 99.999.9 Cyanex272-20%Cyanex 272-20% 22 5.25.2 CoCo 130.8130.8 DCo/DNi=3648D Co / D Ni = 3648 99.699.6 NiNi 0.040.04   6.76.7 MnMn 586.3586.3 DMn/DNi=16352D Mn / D Ni = 16352 99.999.9

상기 표8에 나타난 바와 같이, PC88A의 경우, 망간의 추출율은 99% 이상이었으며, 코발트도 95% 이상 추출되었다. 그러나 니켈도 20% PC88A 농도 시 약 43% 정도 추출되었다. Cyanex272의 경우, 망간 및 코발트의 추출율은 99% 이상이었으며, 니켈은 15% Cyanex272 농도 시 약 4% 미만으로 추출되어 니켈과 망간 및 코발트가 효율적으로 분리된 점이 확인되었다. 니켈에 대한 코발트 및 망간의 분리계수를 계산하여 보면 약 10,000 이상을 나타내어 통상적으로 코발트 및 니켈을 분리하는데 1단으로도 분리가 가능함이 확인되었다.
As shown in Table 8, in the case of PC88A, the extraction ratio of manganese was more than 99% and the cobalt was extracted more than 95%. Nickel, however, was extracted by about 43% at 20% PC88A concentration. In the case of Cyanex272, the extraction rate of manganese and cobalt was over 99%, and nickel was extracted at less than about 4% at the concentration of 15% Cyanex272, indicating that nickel, manganese and cobalt were efficiently separated. When the separation factor of cobalt and manganese for nickel was calculated, it was confirmed to be about 10,000 or more, so that it is possible to separate cobalt and nickel in one stage even though it is usually separated.

[[ 실시예4Example 4 : 산화제를 이용한 황산 침출 용액의 망간의 제거 및 용매추출]: Removal of manganese from sulfuric acid leaching solution using an oxidizing agent and solvent extraction]

(1) 황산 침출 용액에서 망간의 제거(1) Removal of manganese from the sulfuric acid leaching solution

리튬이온전지 제조공정에서 발생하는 NCM계 양극스크랩을 탄소 화합물을 이용하여 환원시킨 후(실시예2의 방법), 리튬을 제거하여 황산에 침출한 용액을 준비하였다. 이러한 황산 침출 용액의 조성은 상기 비교예1에서와 동일하다. The NCM-based anode scrap generated in the lithium ion battery manufacturing process was reduced using a carbon compound (the method of Example 2), and a solution was prepared by removing lithium and leaching into sulfuric acid. The composition of this sulfuric acid leaching solution was the same as in Comparative Example 1 above.

상기 황산 침출 용액의 pH를 하기 표9에 기재된 수치로 조절하였다. 그리고, 상기 황산 침출 용액에 포함된 망간 양을 계산하여 상기 이산화염소(8% 수용액) 수용액을 첨가하고, 1시간 정도 반응시킨 후에 여과하여 여과액을 정량분석을 실시하였다. 이러한 이산화염소 에 의한 망간의 제거 효율 및 코발트 및 니켈에 대한 영향의 결과를 표9에 나타내었다.
The pH of the sulfuric acid leaching solution was adjusted to the values shown in Table 9 below. Then, the amount of manganese contained in the sulfuric acid leach solution was calculated, and the chlorine dioxide (8% aqueous solution) was added thereto, reacted for about 1 hour, and then filtered to quantitatively analyze the filtrate. Table 9 shows the results of the removal efficiency of manganese by chlorine dioxide and the effect on cobalt and nickel.

반응 조건
1) 용액의 pH
2) 망간/이산화염소의 당량비율
Reaction conditions
1) pH of solution
2) Equivalent ratio of manganese / chlorine dioxide
코발트 침출율
(Co leaching rate)
Cobalt leaching rate
(Co leaching rate)
니켈 침출율
(Ni  leaching rate)
Nickel leaching rate
(Ni leaching rate)
망간 침출율
(Mn  leaching rate)
Manganese leaching rate
(Mn leaching rate)
Mn/Ni
(%)
Mn / Ni
(%)
pH=2.0
ClO2/Mn=2
pH = 2.0
ClO 2 / Mn = 2
99%99% 99%99% 60.8%60.8% 17.917.9
pH=4.0
ClO2/Mn=2
pH = 4.0
ClO 2 / Mn = 2
94%94% 99%99% 41.8%41.8% 16.016.0
pH=6.2
ClO2/Mn=2
pH = 6.2
ClO 2 / Mn = 2
95%95% 98%98% 39.5%39.5% 15.815.8
pH=2.0
ClO2/Mn=3 
pH = 2.0
ClO 2 / Mn = 3
96%96% 99%99% 22%22% 9.89.8
pH=2.0
ClO2/Mn=4
pH = 2.0
ClO 2 / Mn = 4
95%95% 99%99% 12%12% 4.74.7
pH=6.2
ClO2/Mn=3
pH = 6.2
ClO 2 / Mn = 3
98%98% 99%99% 23%23% 7.97.9

상기 표9에 나타난 바와 같이, pH를 2, 4, 6의 3가지 조건에서 실험한 결과 코발트 및 니켈는약 95% 이상 침출되었으며, 망간제거 효율은 pH=2에서 39.2%, pH=4에서 58.2%, pH=6에서 60.5%로 높아짐을 알 수 있었다. As shown in Table 9, manganese removal efficiencies were 39.2% at pH = 2 and 58.2% at pH = 4, respectively, when cobalt and nickel were leached by at least 95% and 60.5% at pH = 6, respectively.

또한, 망간의 제거 효율을 높이기 위하여 이산화염소의 양을 달리하였을 경우에도 코발트 및 니켈의 침출율은 그다지 크게 변하지 않았으나, 망간의 제거 효율은 pH=2의 조건에서 망간에 대한 이산화염소의 당량비에 1.5배의 경우 72.9%, 2.0배의 경우 87.1%로 높아졌으며, Mn/Ni비는 당량비가 2, 3, 4로 증가함에 따라 17.9, 9.8, 4.7로 감소하는 결과를 확인하였다. In addition, the leaching rates of cobalt and nickel were not significantly changed even when the amount of chlorine dioxide was changed in order to increase the removal efficiency of manganese. However, the removal efficiency of manganese was 1.5 The ratio of Mn / Ni decreased to 72.9% in the case of pear and 87.1% in case of 2.0 times, and decreased to 17.9, 9.8 and 4.7 as the equivalence ratio increased to 2, 3 and 4, respectively.

그리고,pH=6의 조건, 당량비 1.5배의 경우, 77.4%로 높아졌으며, Mn/Ni는 7.9로 당량비 1배의 경우보다 50% 증가하였다. 결과적으로 pH가 높고 당량비가 증가할 수로 망간의 제거효율이 높아졌으며, 용매추출로 코발트와 니켈을 쉽게 분리할 수 있는 Mn/Ni가 5% 이하로 되었다.
In the condition of pH = 6 and equivalent ratio of 1.5 times, it increased to 77.4% and Mn / Ni was 7.9, which was 50% higher than that of the equivalent ratio of 1: 1. As a result, the removal efficiency of manganese increased as the pH was increased and the equivalence ratio increased, and Mn / Ni, which can easily separate nickel from cobalt by solvent extraction, was below 5%.

(2) 망간이 제거된 황산 침출 (2) Manganese-free sulfuric acid leaching 용액에서니켈과In the solution, 코발트 및 잔류 망간의 분리 Separation of cobalt and residual manganese

상기 망간을 제거한 용액(Mn/Ni=5%, NCM용액 중에 망간의 농도는 약 1700ppm)의 pH를 2.0로 조절하고, 여기에 추출제가 함유된 유기상을 혼합하여 일정시간 반응을 시킨 후에 약 60분 정도 정치시킨 다음 상분리를 하여 수용액상을 여과하여 금속 이온은 농도를 측정하였다. The pH of manganese-free solution (Mn / Ni = 5%, concentration of manganese in NCM solution: about 1700 ppm) was adjusted to 2.0, and the organic phase containing the extractant was mixed and reacted for a predetermined time. The solution was filtered through phase separation, and the concentration of metal ions was measured.

이때, 희석제는 등유 성분에서 아로마향을 제거한 Escaid100을 사용하였으며, 용매추출 실험을 위해 사용한 추출제로서 용매추출 실험을 위해 사용한 추출제로서 망간 제거를 위하여 D2EHPA (di-2-ethylhexyl phosphoric acid)를 사용하였으며, 수용성 상에 대한 유기 상의 부피 비율(O/A)가 약 1로 하였다. Escherichia coli (Escaid 100) was used as a diluent. Di-2-ethylhexyl phosphoric acid (D2EHPA) was used for the removal of manganese as an extractant used for solvent extraction. , And the volume ratio (O / A) of the organic phase to the aqueous phase was about 1.

먼저 추출과정에서 추출제의 농도 변화에 따른 실험을 실시하였으며, 추출제의 농도는 10vol.%에서 40vol.%까지 10% 간격으로 하였고 그 결과를 도14에 나타내었다. 도14에 나타난 바와 같이, 망간의 경우에는 추출제의 농도가 증가함에 따라 약 19%에서 40vol.%의 D2EHPA농도에서 약 50%까지 증가하였다. 또한, 코발트 및 니켈의 경우에는 추출제의 농도 30vol.%까지는 감소하다가 40vol.%에는 약간 증가하는 경향을 보였으며, 30vol.%에서 코발트 및 니켈의 추출율은 약 6% 및 8%로 최저의 추출율을 보여 이후의 실험에서는 추출율의 농도를 30vol.%로 고정하여 실험을 실시하였다.The concentration of the extractant was varied from 10 vol.% To 40 vol.% At 10% intervals. The results are shown in FIG. 14. As shown in FIG. 14, manganese increased from about 19% to about 50% at a D2EHPA concentration of 40 vol.% As the concentration of the extractant increased. In the case of cobalt and nickel, the concentration of the extractant decreased to 30 vol.%, But slightly increased to 40 vol.%. The extraction rate of cobalt and nickel at 30 vol.% Was about 6% and 8% . In the subsequent experiments, the concentration of the extraction ratio was fixed at 30 vol.%.

다음에는 추출과정에서 상비(수용성 상에 대한 유기 상의 부피 비율, O/A)를 변화시키면서 실험을 실시하였으며, 그 결과를 도15에 나타내었다. 도15에 나타난 바와 같이, 망간의 추출율은 상비가 증가함에 따라 증가하였으며, O/A=2에서 약 72%를 나타내었다. 또한, 코발트 및 니켈의 경우에는 상비가 증가함에 추출율이 증가하는 경향을 보였으며, O/A=1 이상에서는 약 10%를 나타내었다.   Next, the experiment was carried out while changing the ratio (O / A ratio) of the organic phase to the aqueous phase during extraction. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 15, the extraction ratio of manganese increased with increasing of the proportion, and showed about 72% at O / A = 2. In the case of cobalt and nickel, the extraction ratio tended to increase with the increase of the proportion, and it was about 10% in the case of O / A = 1 or more.

망간의 제거에는 1번의 용매추출로 약 50% 정도로 추출되지 않기 때문에 여러 단계의 추출을 진행하였다. 도16에는 추출횟수에 따른 금속 추출율 결과를 나타내었으며, 5차 걸친 용매추출을 통하여 망간의 경우에는 약 99%의 추출율을 나타내었으며, 코발트 및 니켈의 경우에는 약 17% 및 11%를 나타낸 점이 확인되었다. .The extraction of manganese was carried out in several stages because it was not extracted at about 50% by one solvent extraction. FIG. 16 shows the metal extraction rate according to the number of times of extraction. In the case of manganese extraction, the extraction rate was about 99%, and in the case of cobalt and nickel, about 17% and 11% . .

한편, 상기 추출제 D2EHPA를 이용한 용매추출로 망간을 제거한 용액에 대하여, 코발트와 니켈을 분리하기 위한 용매추출 실험을 하였다. 상기 용매 추출 조건은 15% Cyanex272를 이용하여 O/A=2, 초기 pH=5.5로 하였다. 평형 pH=5.0에서 코발트의 추출율은 99% 이상이었으며, 니켈은 약 7% 미만으로 추출되어 니켈과 코발트가 효율적으로 분리된 점이 확인되었다. On the other hand, a solvent extraction experiment was performed to separate cobalt and nickel from the solution from which manganese was removed by solvent extraction using the extractant D2EHPA. The solvent extraction conditions were 15% Cyanex 272, O / A = 2, and initial pH = 5.5. At equilibrium pH = 5.0, the extraction rate of cobalt was more than 99%, and nickel was extracted less than about 7%, indicating that nickel and cobalt were efficiently separated.

Claims (18)

폐 리튬 이온전지의 양극물질을 수소 환원 또는 탄소 환원시켜 리튬 화합물을 분리하는 단계;
상기 리튬 화합물이 분리된 폐 리튬 이온전지의 양극 물질을 강산에 침출시켜 니켈, 코발트, 망간을 포함하는 강산 침출수용액을 형성하는 단계;
상기 강산 침출수용액에 산화제를 첨가하여 망간 화합물을 분리하는 단계; 및
용매 추출법을 이용하여 상기 망간 화합물이 분리된 강산 침출수용액으로부터 잔량의 망간 화합물, 니켈 및 코발트를 각각 추출하는 단계를 포함하는, 유가 금속의 회수 방법.
Separating the lithium compound by hydrogen reduction or carbon reduction of the cathode material of the spent lithium ion battery;
Forming a strong acid leachate solution containing nickel, cobalt and manganese by leaching a positive electrode material of the waste lithium ion battery into which the lithium compound has been separated in a strong acid;
Separating the manganese compound by adding an oxidizing agent to the strong acid leachate solution; And
And extracting remaining manganese compounds, nickel and cobalt from the strong acid leachate solution in which the manganese compound is separated by using a solvent extraction method.
제1항에 있어서,
상기 망간 화합물이 분리된 강산 침출 용액에서 니켈에 대한 망간의 중량비율이 20%이하인, 유가 금속의 회수 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the weight ratio of manganese to nickel in the strong acid leaching solution from which the manganese compound is separated is 20% or less.
제1항에 있어서,
상기 산화제는 오존, 산화망간(IV), 시오황산나트륨(K2S2O8), 하이포염소산 나트륨(NaClO), 과망간산칼륨 및 이산화염소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함하는, 유가 금속의 회수 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the oxidant is selected from the group consisting of at least one compound selected from the group consisting of ozone, manganese oxide (IV), sodium sulphate (K 2 S 2 O 8 ), sodium hypochlorite (NaClO), potassium permanganate, Recovery method.
제1항에 있어서,
상기 산화제는 상기 강산 침출 수용액에 포함된 망간 대비 1당량 내지 4당량으로 첨가되는, 유가 금속의 회수 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the oxidizing agent is added in an amount of 1 to 4 equivalents based on manganese contained in the strong acid leaching aqueous solution.
제1항에 있어서,
상기 용매 추출법은 상기 망간 화합물이 분리된 강산 침출 수용액 및 추출제를 포함한 유기 용매를 혼합하는 단계를 포함하는, 유가 금속의 회수 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solvent extraction method comprises mixing an aqueous solution of a strong acid leached with the manganese compound separated and an organic solvent containing an extracting agent.
제5항에 있어서,
상기 추출제는 인산염류(phosphate), 포스폰산류(phosphinic acid), 포스포네이트류(phosphonate), 탄소수 8 내지 20의 지방족카르복실산, 아민 화합물, 하이드록시옥심, 인산 에스테르(phosphoric ester), 포스폰산에스테르(phosphonic ester), 산화 포스핀(phosphine oxide) 및황화 포스핀(phosphine sulphide)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함하는, 유가 금속의 회수 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the extractant is selected from the group consisting of phosphate, phosphinic acid, phosphonate, an aliphatic carboxylic acid having 8 to 20 carbon atoms, an amine compound, a hydroxyoxime, a phosphoric ester, A method for recovering valuable metals, comprising at least one compound selected from the group consisting of phosphonic esters, phosphine oxides, and phosphine sulphides.
제5항에 있어서,
상기 추출제는 트리옥틸아민(Trioctylamine), 데실아민(decylamine), 옥타데칸아마이드(Octadecanamide), 디(2-에틸헥실)포스페이트[Di(2-ethylhexyl)phosphate], 2-에틸헥실-모노(2-에틸헥실) 포스폰산에스테르[Phosphonic acid ( 2-ethylhexyl )-mono( 2-ethylhexyl )ester], 비스(2,4,4-트리메틸펜틸)포스폰산[Bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinic acid],디(2-에틸헥실)포스폰산[Di(2-ethylhexyl)phosphonic acid],트리-아릴포스핀옥사이드[Tri-akylphosphine oxide], 디메틸헵틸메틸포스페이트[Dimethylheptyl methyl phosphate], E-헥실-4-에틸옥틸이소프로필포스폰산[E-hexyl-4-ethyloctyl isopropyl phosphonic acid], 2-에틸헥실 메틸포스폰산디(2-에틸헥실)에스테르[2-ethylhexyl methyl phosphonic acid Di(2-ethylhexyl)ester], 디부틸부틸포스포네이트(Dibutyl butyl phosphonate) 및트리부틸포스핀(Tributylphosphine)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함하는, 유가 금속의 회수 방법.
6. The method of claim 5,
The extractant may be selected from the group consisting of trioctylamine, decylamine, octadecanamide, di (2-ethylhexyl) phosphate, 2-ethylhexyl- Bis (2,4,4-trimethylpentyl) phosphinic acid (2-ethylhexyl) -mono (2-ethylhexyl) ester and bis (2,4,4-trimethylpentyl) phosphonic acid di- (2-ethylhexyl) phosphonic acid, tri-acylphosphine oxide, dimethylheptyl methyl phosphate, E-hexyl- Ethylhexyl methyl phosphonic acid di (2-ethylhexyl) ester [E-hexyl-4-ethyloctyl isopropylphosphonic acid], 2-ethylhexylmethylphosphonic acid di- ], Dibutyl butyl phosphonate, and tributylphosphine. [0033] The term &quot; It is a method for recovering valuable metals.
제5항에 있어서,
상기 망간 화합물이 분리된 강산 침출 수용액 및 추출제를 포함한 유기 용매를 혼합하는 단계에서 수용성 상에 대한 유기 상의 부피 비율(O/A)가 0.5 내지 3.0인, 유가 금속의 회수 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the volume ratio (O / A) of the organic phase to the aqueous phase is 0.5 to 3.0 in the step of mixing the aqueous solution containing the strong acid extracted with the manganese compound and the organic solvent containing the extracting agent.
제1항에 있어서,
상기 강산침출 용액의 pH를 1.0 내지 7.0로 조절하는 단계를 더 포함하는, 유가 금속의 회수 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising adjusting the pH of the strong acid leaching solution to 1.0 to 7.0.
제1항에 있어서,
상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질은 1 내지 20㎛의 입도(D50)을 갖는, 유가금속의 회수 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cathode material of the spent lithium ion battery has a particle size (D50) of 1 to 20 占 퐉.
제1항에 있어서,
상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질은 니켈, 코발트, 망간 및 리튬으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 유가금속을 포함하는, 유가금속의 회수 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the positive electrode material of the spent lithium ion battery comprises at least one valuable metal selected from the group consisting of nickel, cobalt, manganese, and lithium.
제1항에 있어서,
상기 수소 환원은 폐 리튬 이온전지의 양극물질에 수소 가스를 투입하고, 400℃ 내지 800℃로 가열하는 단계;를 포함하는, 유가금속의 회수 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrogen reduction is performed by charging hydrogen gas into the cathode material of the spent lithium ion battery and heating the battery at 400 to 800 ° C.
제12항에 있어서,
상기 수소 가스는 0.1 내지 10L/min의 유량으로 투입되며,
상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질과 수소 가스는 1℃/분 내지 20℃/분의 승온 속도로 가열되는, 유가금속의 회수 방법.
13. The method of claim 12,
The hydrogen gas is supplied at a flow rate of 0.1 to 10 L / min,
Wherein the cathode material and the hydrogen gas of the waste lithium ion battery are heated at a temperature raising rate of 1 占 폚 / min to 20 占 폚 / min.
제12항에 있어서,
상기 수소 환원의 결과물을 이산화탄소와 반응시키는 단계를 더 포함하는, 유가금속의 회수 방법.
13. The method of claim 12,
Further comprising the step of reacting the result of hydrogen reduction with carbon dioxide.
제1항에 있어서,
상기 탄소 환원은 폐 리튬 이온전지의 양극물질에 탄소계 화합물을 첨가하고, 400℃ 내지 800℃로 가열하는 단계를 포함하는, 유가금속의 회수 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon reduction includes a step of adding a carbonaceous compound to the cathode material of the spent lithium ion battery and heating to 400 to 800 占 폚.
제15항에 있어서,
상기탄소계 화합물은 1 내지 10㎛의 입도(D50)을 갖는 탄소 분말을 포함하는, 유가금속의 회수 방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the carbon-based compound comprises a carbon powder having a particle size (D50) of 1 to 10 mu m.
제15항에 있어서,
상기탄소계 화합물은 상기 폐 리튬 이온전지의 양극물질 1몰에 대하여 0.5 내지 2몰 첨가하는, 유가금속의 회수 방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the carbon-based compound is added in an amount of 0.5 to 2 moles per mole of the cathode material of the waste lithium ion battery.
제1항에 있어서,
상기 강산은 0.1M 내지 5M의 농도를 갖는, 유가금속의 회수 방법.

The method according to claim 1,
Wherein the strong acid has a concentration of 0.1M to 5M.

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