KR20190091717A - 니켈 분말 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐 리튬이온전지의 양극활물질로부터 니켈 분말을 제조하는 방법에 있어서, 상기 폐 리튬이온전지로부터 상기 양극활물질이 추출되고, 상기 양극활물질이 환원제를 포함하는 용액에 의해 습식 환원되어 산화니켈(NiO)과 알칼리금속 탄산물로 분리되고, 상기 알칼리금속 탄산물은 수세되어 제거되며, 상기 산화니켈(NiO)이 환원되어 니켈(Ni) 분말이 회수되는, 니켈 분말 제조 방법에 관한 것이다.

Description

니켈 분말 제조 방법{NICKEL POWDER FABRICATION METHOD}
본 발명의 일 실시예는 니켈 분말 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 폐 리튬이온전지로부터 습식 환원 공정을 거쳐 니켈 분말을 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
스테인리스 스틸(STS) 원료로 많이 사용되는 니켈(Ni)은 그 외에 다양한 용도로 사용되는 고가의 금속이다. 예를 들어, 니켈은 니켈강, 스테인리스 스틸, 니크롬강, 뿐만 아니라 특수합금 및 도금재료 등으로도 응용되고 있다. 특히 니켈, 철, 코발트의 합금으로 제조되는 자성유체(magnetic fluid)는 높은 충격흡수 충진재로 폭넓게 사용된다. 또한, 니켈 나노 입자는 표면적이 크고 고활성이기 때문에 유기수소 첨가반응 또는 배기가스 처리 등에서의 촉매로 사용되기도 한다. 그리고, 로케트 고체연료에 조연제(comburent)로도 사용되어 연소열 및 연소효율을 증가시키고 산화 안정성을 향상시킬 수도 있다.
한편, 이러한 니켈은 리튬계 전지에도 함유되는데, 휴대용 전자기기에만 주로 사용되던 리튬 이온 배터리가 전기자동차의 주요 동력원으로 주목됨에 따라, 전기자동차 시장의 확대와 함께 리튬 이온 배터리의 수요 역시 지속적으로 증가하고 있다. 하지만, 국내에서 발생하는 리튬계 전지의 니켈 함유 폐자원은 대부분 외국으로 보내지며 재활용된 후 재수입되고 있는 실정이다. 이차전지의 양극활물질 제조과정에서 불량으로 발생한 폐 LNO가 매년 다량 발생하고 있으며, 이를 황산티켈, 산화니켈 및 니켈 금속으로 제조하기 위한 연구가 계속 진행 중에 있다. 양극활물질 전구체를 통해 니켈 입자를 제조하는 방법으로는 용매추출법, 화학적 침전법, 전해석출법, 수소환원법, 액상환원법 등이 주로 적용되고 있다.
한편, 폐 리튬이온전지로부터 니켈 분말을 제조하는 종래의 방법 중 액상 환원법의 경우, 산 등의 화합물을 통해 LNO 원소재를 용해한 후에 환원시키게 되는데, 건식 환원 공정에 비해서 수득 반응의 속도 및 수득율이 놓은 장점이 있는 반면에 환경에 유해한 강산 용액 및 기타 화합물을 사용함으로써 환경오염의 문제를 야기하게 되며, 중간 생성물이 다량 발생하여 생산 공정이 복잡하며 폐기물이 다량 발생하기 때문에 이를 처리할 시설이 필요하여 결국 전체적으로 보았을 때에는 생산 단가가 저하되었다.
나아가, 탄소계 환원제를 이용한 건식환원공정의 경우, 고온(약 800C) 조건에서 반응이 이루어져야 하는데, 이 경우, 온도 조건 유지를 위해 추가적인 설비 및 장비가 요구되는 등 제조 비용 및 시간이 크게 증가되는 문제가 존재하였다.
한국등록특허공보 제10-0411575호(2003.12.31.)
본 발명의 실시예들은 최종 니켈 분말의 순도를 높일 수 있는 니켈 분말 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 별도의 탄소계 환원제를 필요로 하지 않는 니켈 분말 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 습식 환원 과정에서 고온의 조건을 필요로 하지 않는 니켈 분말 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 친환경적인 니켈 분말 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 니켈 분말의 생산 단가를 절감할 수 있는 니켈 분말 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 공정이 단순하여 상용화가 용이한 니켈 분말 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 폐 리튬이온전지의 양극활물질로부터 니켈 분말을 제조하는 방법에 있어서, 상기 폐 리튬이온전지로부터 상기 양극활물질이 추출되고, 상기 양극활물질이 환원제를 포함하는 용액에 의해 습식 환원되어 산화니켈(NiO)과 알칼리금속 탄산물로 분리되고, 상기 알칼리금속 탄산물은 수세되어 제거되며, 상기 산화니켈(NiO)이 환원되어 니켈(Ni) 분말이 회수되는, 니켈 분말 제조 방법을 제공할 수 있다.
상기 환원제는 수산화칼륨(KOH)일 수 있다.
상기 습식 환원 반응은 상온에서 이루어질 수 있다.
상기 수산화칼륨(KOH)은 25% 내지 35%로 용해되어 이용될 수 있다.
상기 산화니켈은 수소(H2) 환원될 수 있다.
상기 수소(H2) 환원은 650C 내지 750C에서 이루어질 수 있다.
상기 양극활물질은 LiNiO2일 수 있다.
상기 알칼리금속 탄산물은 탄산리튬(Li2CO3)일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 최종 니켈 분말의 순도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 별도의 탄소계 환원제를 필요로 하지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 습식 환원 과정에서 고온의 조건을 필요로 하지 않는 바, 니켈 분말 제조 간 비용 및 시간을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 친환경적인 니켈 분말 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 니켈 분말의 생산 단가를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 니켈 분말 제조 공정이 단순하여 상용화가 용이하다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 분말 제조 방법을 나타낸 순서도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 분말 제조 방법의 일부를 나타낸 순서도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질이 포함된 원 시료의 성분을 X선회절분석법을 통해 관찰한 결과를 나타내는 그래프
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 분말 제조 방법의 각 단계 별로 발생하는 물질의 성분을 X선회절분석법을 통해 관찰한 결과를 나타내는 그래프
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 분말 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 분말 제조 방법은 폐 리튬이온전지가 수거되는 단계(S20), 폐 리튬이온전지가 분쇄, 분류 또는 여과되는 단계(S30), 폐 리튬이온전지로부터 양극활물질이 추출되는 단계(S40), 양극활물질이 환원제를 포함하는 용액에 의해 습식 환원되어 산화니켈(NiO)과 알칼리금속 탄산물로 분리되는 단계(S50), 알칼리금속 탄산물은 수세되어 제거되는 단계(S60), 산화니켈(NiO)이 환원됨으로써 니켈(Ni) 분말이 회수되는 단계(S70)를 포함할 수 있다.
한편, 상술한 양극활물질은 LiNiO2일 수 있고, 그에 따라, 알칼리금속 탄산물은 탄산리튬(Li2CO3)일 수 있다. 구체적으로, LiNiO2가 습식 환원 및 열분해 됨에 따라 알칼리금속 탄산물(Li2CO3)과 산화니켈(NiO)이 생성될 수 있다. 이를 화학식으로 나타내면 아래 화학실 1과 같다.
Figure pat00001
또한, 위와 같이 생성된 알칼리금속 탄산물(Li2CO3)은 수세(water washing)과정을 통해 제거되고 산화니켈(NiO)만 잔류될 수 있다. 구체적으로, 용해도가 높은 알칼리금속 탄산물(Li2CO3)을 단순히 물을 이용해 제거할 수 있는 바, 별도의 화학 재료나 공정을 필요로 하지 않고, 니켈 분말 제조에 있어 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
나아가, 상술한 수세 공정에서 제거된 탄산리튬(Li2CO3)은 재회수 될 수 있다. 구체적으로, 수세 공정에서 제거되어 물에 용해된 상태의 탄산리튬(Li2CO3)은 단순 건조 공정을 통해 고체상의 탄산리튬(Li2CO3)으로 회수 될 수 있고, 이는 별도의 건조 공정 없이 자연 건조를 통해서도 가능한 바, 공정 설비 등의 추가 비용 없이 탄산리튬(Li2CO3)의 회수가 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 분말 제조 방법의 일부를 나타낸 순서도이다. 도 2에 도시된 니켈 분말 제조 방법의 순서도는, 니켈 분말 제조 방법 중 폐 리튬이온전지를 수거하고(도 1의 S10 단계), 수거된 폐 리튬이온전지를 분쇄, 분류, 여과하는(도 1의 S20 단계) 단계는 생략되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 분말 제조 방법은 습식 환원 단계에서 환원제로 수산화칼륨(KOH)를 이용할 수 있다(S40). 종래에 단순히 알루미늄(Al) 불순물 제거에만 이용하였던 수산화칼륨(KOH)을 환원제로 이용함에 따라 별도의 탄소계 환원제(C, CO, CO2) 등을 필요로 하지 않게 되고, 단순히 수산화칼륨(KOH)을 환원제로 이용함으로써 알루미늄(Al) 불순물 제거 및 환원제 사용의 효과를 동시에 얻을 수 있다.
또한, 이를 통해 기존의 탄소계 환원제의 경우, 환원을 위한 온도 조건으로 800C 이상의 고온 조건을 필요로하였던 반면, 수산화칼륨(KOH)의 습식 환원 공정의 경우, 상온에서 이루어질 수 있어 고온의 반응 조건을 위한 추가적인 설비나 장비를 필요로 하지 않을 수 있고, 온도 조건 도달을 위한 소요 시간을 감축시킬 수 있는 바, 전체적인 니켈 분말 제조 공정 간 시간 및 비용을 크게 절감할 수 있다. 이 때, 상술한 수산화칼륨(KOH)은 상술한 양극활물질을 충분히 환원시킬 수 있도록 25% 내지 35% 농도로 용해되어 이용될 수 있고, 바람직하게는 약 30%의 농도로 용해되어 이용될 수 있다.
한편, 강산 용액을 포함하는 액상환원공정의 경우, 앞서 설명한 바와 같이 유해한 강산 한용액 및 기타 화합물을 사용하여야 하는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 제조 방법의 경우, 환경에 유해한 물질을 전혀 사용하지 않을 수 있다. 이를 통해, 친환경적으로 니켈 분말을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 유해물질을 처리하기 위한 별도의 비용이 발생하지 않아서 생산 단가를 절감할 수도 있다. 나아가, 종래의 액상환원공정에 비해 공정이 단순하여 상대적으로 상용화도 용이할 수 있다.
한편, 위와 같이 습식 환원 공정 후 수세(S50)를 거쳐 잔류된 산화니켈(NiO)은 수소(H2) 환원될 수 있다(S60). 이 때, 수소(H2) 환원 은 650C 내지 750C에서 이루어질 수 있고, 바람직하게는 약 700C의 온도 조건에서 이루어질 수 있다. 이를 통해, 니켈(Ni) 금속이 분말 형태로 회수될 수 있다(S70).
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극활물질이 포함된 원 시료의 성분을 X선회절분석법을 통해 관찰한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 분말 제조 방법의 각 단계 별로 발생하는 물질의 성분을 X선회절분석법을 통해 관찰한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3 및 4를 참조하면, 도 3은 추출된 양극활물질의 조성비, 도 4(a)는 습식 환원된 이후의 물질 조성비, 도 4(b)는 수세한 이후의 잔류 물질 조성비, 도 4(c)는 수소환원 된 이후의 니켈 금속 잔류를 나타낸 그래프이다.
도 3에 의하면, 추출된 양극활물질 내에는 LiNiO2와 NiO가 포함되어 있을 수 있다. 이를 수산화칼륨(KOH)를 통해 습식 환원 시키면, 탄산리튬(Li2CO3) 및 산화니켈(NiO)이 생성될 수 있다(도 4(a)). 생성된 탄산리튬(Li2CO3)과 산화니켈(NiO)을 수세하게 되면, 탄산리튬(Li2CO3)은 물에 녹아서 제거되고 산화니켈(NiO)만 남게 될 수 있다(도 4(b)). 이후, 남아있는 산화니켈(NiO)을 수소 환원하게 되면 니켈(Ni) 금속이 분말 형태로 생성될 수 있다.
위와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 분말 제조 방법의 경우, 수산화칼륨(KOH)을 환원제로 이용하여 상온에서 환원반응이 일어나는 바, 고온의 온도 조건을 설정하기 위한 공정 설비 또는 장비를 최소화 할 수 있어 비용 및 시간을 절감할 수 있고, 강산 용액을 포함하는 액상환원공정을 배제하는 바, 친환경적으로 이용될 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

  1. 폐 리튬이온전지의 양극활물질로부터 니켈 분말을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 폐 리튬이온전지로부터 상기 양극활물질이 추출되고,
    상기 양극활물질이 환원제를 포함하는 용액에 의해 습식 환원되어 산화니켈(NiO)과 알칼리금속 탄산물로 분리되고,
    상기 알칼리금속 탄산물은 수세되어 제거되며,
    상기 산화니켈(NiO)이 환원되어 니켈(Ni) 분말이 회수되는, 니켈 분말 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원제는 수산화칼륨(KOH)인, 니켈 분말 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 습식 환원 반응은 상온에서 이루어지는, 니켈 분말 제조 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 수산화칼륨(KOH)은 25% 내지 35%로 용해되어 이용되는, 니켈 분말 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화니켈은 수소(H2) 환원되는, 니켈 분말 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 수소(H2) 환원은 650C 내지 750C에서 이루어지는, 니켈 분말 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극활물질은 LiNiO2인, 니켈 분말 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 알칼리금속 탄산물은 탄산리튬(Li2CO3)인, 니켈 분말 제조 방법.
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