KR20210095900A - 배터리의 스케일러블 직접 재활용 방법 및 시스템 - Google Patents

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쑤 한
쳉 리
마이클 더블유. 엘리스
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Abstract

방법은 적어도 하나의 배터리를 복수의 코어 섹션으로 처리하는 단계를 포함한다. 복수의 코어 섹션의 각각의 코어 섹션은 애노드 섹션, 캐소드 재료를 포함하는 캐소드 섹션, 애노드 섹션과 캐소드 섹션 사이에 배치된 분리막 섹션, 및 전해질을 포함한다. 방법은 또한 복수의 코어 섹션으로부터 캐소드 재료의 혼합물을 생성하기 위해 복수의 코어 섹션을 용매에 배치하는 단계를 포함한다. 용매와 전해질은 이온 전도성 매질을 형성하고, 캐소드 재료의 혼합물은 캐소드 재료에서 활성 원소의 실질적으로 균질한 분포를 특징으로 한다.

Description

배터리의 스케일러블 직접 재활용 방법 및 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 11월 28일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "METHODS AND SYSTEMS FOR SCALABLE DIRECT RECYCLING OF BATTERIES"인 미국 특허 출원 제62/772,243호에 대한 우선권을 주장하고, 그 개시내용은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
기술 분야
본 개시내용은 전반적으로 에너지 저장 디바이스를 재활용하기 위한 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 리튬 이온 배터리 및 그 구성요소의 재활용에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리는 고출력 및 에너지 밀도, 긴 사이클 수명, 높은 잠재력, 및 낮은 자체 방전율을 갖고 있다. 그 결과, 리튬 이온 배터리는 일반적으로 단기 에너지 저장을 위한 가장 유망한 접근법으로 고려되고 소비자 전자 기기, 전기 자동차, 및 그리드 에너지 저장에 널리 사용된다. 그러나, 리튬 이온 배터리에는 또한 배터리 재료 공급 제한, 생산 또는 수명 종료 동안 환경 위험, 및 높은 제조 비용을 비롯하여 몇 가지 단점이 있다.
에너지 저장 디바이스를 재활용하기 위한 시스템, 장치 및 방법이 개시된다. 일부 실시예에서, 방법은 적어도 하나의 배터리를 복수의 코어 섹션으로 처리하는 단계를 포함한다. 복수의 코어 섹션의 각각의 코어 섹션은 적어도 애노드 재료를 포함하는 애노드 섹션, 적어도 캐소드 재료를 포함하는 캐소드 섹션, 애노드 섹션과 캐소드 섹션 사이에 배치된 분리막 섹션, 및 전해질을 적어도 포함한다. 방법은 또한 복수의 코어 섹션으로부터 캐소드 재료 및 다른 구성요소의 혼합물을 생성하기 위해 복수의 코어 섹션을 용매에 배치하는 단계를 포함한다. 용매와 전해질은 이온 전도성 매질을 형성하고, 캐소드 재료의 혼합물은 캐소드 재료에서 활성 원소의 실질적으로 균질한 분포를 특징으로 한다.
일부 실시예에서, 시스템은 제1 디바이스 및 제2 디바이스를 포함한다. 제1 디바이스는 적어도 하나의 배터리를 복수의 코어 섹션으로 처리하도록 구성되고, 복수의 코어 섹션의 각각의 코어 섹션은 애노드 섹션, 캐소드 재료를 포함하는 캐소드 섹션, 애노드 섹션과 캐소드 섹션 사이에 배치된 분리막 섹션; 및 전해질을 포함한다. 제2 디바이스는 복수의 코어 섹션을 수용하고 복수의 코어 섹션으로부터 캐소드 재료의 혼합물을 생성하기 위해 복수의 코어 섹션을 분산 또는 용해시키도록 구성된다. 용매와 전해질은 이온 전도성 매질을 형성하고, 캐소드 재료의 혼합물은 캐소드 재료에서 활성 원소의 실질적으로 균질한 분포를 특징으로 한다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 배터리를 재활용하는 방법은 복수의 리튬 이온 배터리를 복수의 코어 섹션으로 절단하는 단계를 포함한다. 복수의 리튬 이온 배터리 중 제1 리튬 이온 배터리는 제1 충전 상태(state of charge)(SOC)를 갖고, 복수의 리튬 이온 배터리 중 제2 리튬 이온 배터리는 제1 SOC와 상이한 제2 SOC를 갖는다. 복수의 코어 섹션의 각각의 코어 섹션은 애노드 재료를 포함하는 애노드 섹션, 캐소드 재료를 포함하는 캐소드 섹션, 애노드 섹션과 캐소드 섹션 사이에 배치된 분리막 섹션, 및 전해질을 포함한다. 방법은 또한 복수의 코어 섹션으로부터 캐소드 재료 및 애노드 재료의 혼합물을 생성하기 위해 복수의 코어 섹션을 용매에 배치하는 단계를 포함한다. 용매와 전해질은 이온 전도성 매질을 형성하고, 캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물은 캐소드 재료에 활성 원소의 비화학량론적 화합물을 포함하고 캐소드 재료에서 활성 원소의 실질적으로 균질한 분포를 특징으로 한다. 방법은 또한 캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물로부터 캐소드 재료를 추출하는 단계 및 배터리 등급 캐소드 재료를 생성하기 위해 캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물로부터 추출된 캐소드 재료를 재리튬화(relithiating)하는 단계를 포함한다.
전술한 개념 및 아래에서 보다 상세히 설명되는 추가 개념의 모든 조합(그러한 개념들이 서로 모순되지 않는 경우)은 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려된다는 것을 이해해야 한다. 특히, 본 개시내용의 말미에 나타나는 청구된 주제의 모든 조합은 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려된다. 또한, 참조로 포함되는 임의의 개시에 나타날 수도 있는 본 명세서에서 명시적으로 사용된 용어는 본 명세서에 개시된 특정 개념과 가장 일치하는 의미를 부여받아야 한다는 것을 이해해야 한다.
다른 시스템, 프로세스, 및 피처는 다음의 도면 및 상세한 설명을 검토할 때 본 기술 분야의 숙련자에게 명백해질 것이다. 그러한 모든 추가 시스템, 프로세스 및 피처는 본 설명 내에 포함되고, 본 발명의 범위 내에 있으며, 첨부된 청구범위에 의해 보호되도록 의도된다.
숙련된 기술자는 도면이 주로 예시 목적을 위한 것이며 본 명세서에 설명된 본 발명의 주제의 범위의 제한을 의도하도록 의도되지 않음을 이해할 것이다. 도면은 반드시 실척이 아니고; 일부 예에서, 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 다양한 양태는 다양한 피처의 이해를 용이하게 하기 위해 도면에서 과장되거나 확대되어 도시될 수 있다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 일반적으로 동일한 피처(예를 들어, 기능적으로 유사한 및/또는 구조적으로 유사한 요소)를 지칭한다.
도 1은 일부 실시예에 따른 배터리의 캐소드 재료를 재활용하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 배터리의 스케일러블 직접 재활용 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 3a 및 도 3b는 일부 실시예에 따른 배터리의 비활성화 및 충전 상태 추정을 각각 예시한다.
도 4a 내지 도 4d는 일부 실시예에 따라 배터리를 다수의 코어 섹션으로 처리하는 방법을 예시한다.
도 5a 내지 도 5c는 일부 실시예에 따라 도 4a 내지 도 4d에 예시된 방법을 통해 다수의 코어 섹션으로 처리될 수 있는 배터리의 개략도를 도시한다.
도 6은 일부 실시예에 따른 배터리의 직접 재활용에서 화학적 처리 및 분리 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 7은 일부 실시예에 따른 배터리의 직접 재활용에서 화학적 처리 및 분리를 위한 시스템을 예시한다.
도 8a 내지 도 8c는 일부 실시예에 따른 배터리의 스케일러블 직접 재활용 동안 리튬 평형화 프로세스를 예시한다.
도 9a 내지 도 9c는 일부 실시예에 따른 시트 형태의 전극의 리튬 평형화 프로세스를 예시한다.
도 10a 및 도 10b는 일부 실시예에 따른 재리튬화 방법을 예시한다.
도 11은 일부 실시예에 따른 배터리의 직접 재활용에서 화학적 처리 및 분리 방법을 예시하는 흐름도이다.
리튬 이온 배터리와 관련된 단점을 해결하기 위해, 리튬 이온 배터리의 재활용을 사용하여 총 수명 에너지 소비, 배터리 재료 수요, 및 제조 비용을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 배터리 생산 과정에서, 가공용 알루미늄(wrought aluminum)과 캐소드 재료는 각각 통상적으로 생산-출하(cradle-to-gate) 에너지 소비 또는 온실 가스(greenhouse gas)(GHG) 배출의 약 절반과 10% 내지 14%를 차지한다. 따라서, 알루미늄 및 캐소드 재료를 재활용하면 배터리 생산의 에너지 소비와 GHG 배출을 크게 감소시킬 수 있다.
배터리의 재활용은 적어도 3개의 접근법, 즉 제련 재활용(smelting recycling), 습식 야금 재활용(hydrometallurgical recycling), 및 직접 재활용(direct recycling)을 통해 구현할 수 있다. 제련 배터리 재활용에서, 수명이 다한 배터리는 통상적으로 제련소 바닥으로부터 합금 형태인 Co, Ni 및 Cu와 같은 귀금속을 회수하기 위해 직접 제련된다. 침출 프로세스는 일반적으로 회수된 금속을 분리하기 위해 수행된다.
제련은 LiCoO2, LiMn2O4, 및 LiNixMnyCozO2(여기서 x + y + z = 1)를 비롯하여 여러 유형의 캐소드 재료로부터 일부 원소(예를 들어, Co, Mn, Ni 등)를 경제적으로 회수하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, x, y 또는 z 중 임의의 하나는 0일 수 있다. 그러나, 일반적으로 제련을 통해 LiFetM1-tPO4(여기서, M = Mn, Ni, Co, V 또는 금속 원소), 또는 여러 금속 원소(LFMP) 캐소드의 조합을 재활용하는 것은 경제적으로 유리하지 않은데, LFMP 배터리로부터 회수된 금속은 가치가 낮기 때문이다. 또한, 제련 중에 리튬과 알루미늄은 일반적으로 슬래그가 된다. 통상적으로 금속을 새로운 배터리를 구성하는 데 사용될 수 있기 전에 분리하기 위해 광범위하고 비용이 많이 드는 처리가 수행된다. 더욱이 제련 프로세스 자체는 흔히 광범위한 폐가스를 생성함으로써, 후속 폐기물 처리로 인해 전체 비용이 증가된다.
습식 야금 재활용 프로세스는 추가 처리 전에 배터리 구성 성분을 분리 및/또는 격리시킨다. 이 접근법은 Ni-MH 배터리 재활용에도 적용될 수 있다. 리튬 이온 배터리의 경우, 리튬은 궁극적으로 Li2CO3로서 회수되며 Co, Ni 및 Al과 같은 기타 주요 재료도 회수될 수 있다. Ni-MH 배터리의 경우, 희토류 및 니켈을 회수할 수 있다. 습식 야금 재활용은 고온 및 높은 체적을 수반하지 않지만, 그러한 접근법은 배터리 캐소드 재료의 형태를 변경하여 추가 처리 없이 캐소드 재료를 재사용하기에 부적합하게 만든다. 습식 야금 재활용에 관한 더 많은 정보는 발명의 명칭이 "Reintroduction of lithium into recycled battery materials"인 미국 특허 제8,846,225호에서 확인될 수 있고, 이 특허는 본 명세서에 전체가 참조로 포함된다.
위에서 설명한 2개의 접근법과 비교하여 배터리의 직접 재활용은 귀중한 캐소드 재료는 물론 애노드 재료, 집전체(current collector), 바인더, 및 전해질을 회수할 수 있다. 이 접근법은 저온 프로세스만 포함하며 귀중한 재료의 구조, 형태, 및 전기 화학적 특성을 보존할 수 있다. 직접 재활용의 일부 방법에는 전극 재료를 회수하기 전에 배터리를 개별 구성요소로 물리적으로 분해하는 것이 포함된다. 예를 들어, 애노드/캐소드 재료가 화학적 처리를 통해 회수될 수 있기 전에 배터리의 캐소드, 애노드, 및 분리막이 분리될 수 있다. 배터리의 그러한 물리적 분리는 일반적으로 시간 소모적이고 배터리를 대규모로 재활용하기가 어려울 수 있다.
직접 재활용의 효율성을 높이고 산업 수준으로 직접 재활용을 확장하기 위해, 본 명세서에 설명된 방법 및 시스템은 전극 재료 회수 전에 애노드로부터 캐소드를 물리적으로 분리하지 않고 배터리를 재활용할 수 있는 스케일러블 직접 재활용 기술을 사용한다. 이 기술에서, 배터리는 먼저 더 작은 피스(코어 섹션이라고도 지칭됨)로 처리되며, 각각의 피스는 애노드 섹션, 캐소드 섹션, 분리막, 및 전해질을 포함한다. 이 프로세스는, 예를 들어 펀치 기계(예를 들어, 아래의 도 4a 내지 도 4d 참조)를 통해 대규모로 수행될 수 있다.
이어서, 개별 피스는 용매에서 화학적 처리를 받아, 전극 재료를 대응 집전체에 결합하는 바인더를 용해시키고 코어 섹션으로부터 캐소드 재료 혼합물(일반적으로 코어 섹션으로부터의 애노드 재료도 포함)을 생성할 수 있다. 용매 및 전해질은 또한 이온 전도성 매질을 형성하며, 이는 혼합물 내의 캐소드 재료(예를 들어, 리튬, 양성자, 및/또는 히드록실)에서 활성 원소의 운반을 용이하게 할 수 있다. 이 운반은 캐소드 재료 내에서 활성 원소의 분포를 실질적으로 균질화할 수 있다. 화학적 처리로부터의 캐소드 재료는 일반적으로 활성 원소의 비율이 부족하다(예를 들어, 리튬 부족). 그러나, 그러한 부족은, 활성 원소의 분포가 캐소드 재료 내에서 균일한 한, 배터리 등급의 캐소드 재료를 생성하도록 활성 원소를 보충하기 위해 추가 처리(예를 들어, 재리튬화)가 쉽게 수행될 수 있기 때문에, 재활용 기술의 전체 효율성에 영향을 미치지 않는다.
본 명세서에 설명된 기술의 각각의 단계는 쉽게 확장될 수 있기 때문에, 전체 재활용 프로세스도 대규모로 구현될 수 있다. 또한, 화학적 처리 동안 활성 원소의 운반은 상이한 충전 상태에서 배터리를 동시에 재활용할 수 있게 하여, 일부 다른 재활용 기술에서 충전 상태를 결정하는 비용과 시간 소모적인 단계를 제거한다.
도 1은 일부 실시예에 따른 배터리의 캐소드 재료를 재활용하는 방법(100)을 예시하는 흐름도이다. 통상적으로, 배터리 비용은 배터리 구성요소 재료의 비용(예를 들어, 약 50% 이상)에 의해 좌우되며, 이는 차례로 캐소드 재료의 비용에 의해 좌우된다. 예를 들어, 배터리의 캐소드 재료는 동일한 배터리의 다른 구성 요소의 약 2 내지 4 배만큼 귀중할 수 있다. 따라서, 방법(100)을 통해 캐소드 재료를 재활용하는 것은 비용 절감에 상당한 기여를 할 수 있다.
방법(100)은, 110에서, 하나 이상의 배터리를 다수의 코어 섹션으로 처리하는 단계를 포함하며, 각각의 코어 섹션은 애노드 섹션, 캐소드 재료를 포함하는 캐소드 섹션, 애노드 섹션과 캐소드 섹션 사이에 배치된 분리막 섹션, 및 전해질을 포함한다. 각각의 코어 섹션은 또한 애노드 섹션에 결합된 제1 집전체 섹션 및 캐소드 섹션에 결합된 제2 집전체 섹션과 같은 집전체 섹션을 포함할 수 있다. 달리 말하면, 110에서의 처리는 각각의 배터리 구성요소(예를 들어, 애노드, 캐소드, 분리막, 및 집전체)를 다수의 피스로 전환시킨다.
일부 실시예에서, 각각의 코어 섹션은 하나의 애노드 섹션 및 하나의 캐소드 섹션을 포함한다. 일부 실시예에서, 각각의 코어 섹션은 다수의 애노드 섹션 및 다수의 캐소드 섹션을 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리는 젤리롤 아키텍처를 가질 수 있고 110에서의 처리는 원통(예를 들어, 도 5a 참조)의 측벽에 직교하게 배터리를 절단할 수 있다. 결과적으로, 110에서의 처리로부터의 각각의 코어 섹션은 또한 애노드 및 캐소드의 다수의 층을 갖는 젤리롤을 포함한다. 다른 예에서, 배터리는 배터리 전지 스택을 포함하는 각기둥형 아키텍처를 가질 수 있고, 각각의 스택은 애노드, 캐소드, 및 분리막(예를 들어, 도 5b 참조)을 포함한다. 110에서의 처리는 스택의 깊이를 따라 배터리를 절단할 수 있으며, 이에 따라 애노드/캐소드/분리막 조합의 다수의 층을 포함하는 코어 섹션을 생성할 수 있다. 따라서, 방법(100)은 배터리 아키텍처에 관계 없이 구현될 수 있으며, 실제로 큰 유연성을 나타낸다.
일부 실시예에서, 캐소드 섹션 및/또는 애노드 섹션은 활성 재료, 전도성 재료(예를 들어, 전도성 탄소), 바인더, 및 집전체 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예에서, 각각의 코어 섹션은 애노드 섹션, 캐소드 섹션, 분리막, 또는 전해질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 코어 섹션은 캐소드 섹션만을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 코어 섹션은 애노드 섹션만을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 코어 섹션은 (1) 전해질 및 (2) 캐소드 섹션 또는 애노드 섹션만을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 코어 섹션은(1) 전해질, (2) 분리막, 및 (3) 캐소드 섹션 또는 애노드 섹션만을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 코어 섹션은 추가로 배터리 패키징 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 110에서의 처리는 적어도 하나의 배터리를 다수의 코어 섹션으로 절단하는 것을 용이하게 하기 하도록 적어도 하나의 배터리를 절단하기 전에 적어도 하나의 배터리를 변형시키는 것을 포함한다. 예를 들어, 젤리롤 아키텍처를 갖는 배터리는 절단 전에 절단 방향으로 압축되어 변형된 배터리를 생성할 수 있다. 절단 방향으로 변형된 배터리의 두께는 비슷한 크기의 각기둥형 배터리의 두께와 유사할 수 있다. 결과적으로, 각각의 배터리에 대해 절단 방향으로의 유사한 두께는 동시에 다수의 배터리를 절단하는 것을 용이하게 하여, 처리 효율성을 개선시킨다.
방법(100)은 또한 120에서, 코어 섹션으로부터 캐소드 재료의 혼합물을 생성하기 위해 코어 섹션을 용매에 배치하는 단계를 포함하고, 즉 상이한 코어 섹션으로부터의 캐소드 재료가 함께 혼합되어 혼합물을 형성한다. 혼합물은 또한 애노드 재료, 바인더, 분리막, 및 집전체와 같은 다른 재료를 포함할 수 있다. 그러나, 예시의 목적을 위해, 본 명세서의 설명은 캐소드 재료에 초점을 맞추고 있다. 다른 재료로부터 캐소드 재료를 분리하는 것에 대한 보다 상세한 사항은 도 6 및 도 7을 참조하여 아래에서 확인될 수 있다. 용매와 전해질은 이온 전도성 매질을 형성하고, 캐소드 재료의 혼합물은 이온 전도성 매질에 의해 촉진되는 혼합물 내에서 활성 원소(또는 그 이온)의 운반으로 인해 캐소드 재료에서 활성 원소의 실질적으로 균질한 분포를 특징으로 한다. 일부 실시예에서, 이온 전도성 매질은 또한 전자에 전도성이다.
방법(100)은 다양한 유형의 캐소드 재료를 회수하도록 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 캐소드 재료는 LiCoO2와 같은 코발트가 풍부한 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 캐소드 재료는 LiNixMnyCozO2(여기서 x + y + z = 1), 또는 보다 일반적인 형식으로, LiNiaMnbCocAdO2(여기서 A = Al, Zr, Mg 등, a + b + c + d = 1)과 같은 니켈이 풍부한 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 캐소드 재료는 LiMnyO4과 같은 L-M-O 시스템을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 캐소드 재료는 LiFetM1-tPO4를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 캐소드 재료는 제2 재료에 의해 코팅된 제1 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐소드 재료는 Al2O3로 코팅된 LiCoO2를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 캐소드 재료는 제2 재료(도펀트라고도 지칭됨)로 도핑된 제1 재료(호스트 재료라고도 지칭됨)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐소드 재료는 LiMn2-xAlxO4-y을 포함할 수 있다. 본 기술 분야에 공지된 임의의 다른 적절한 캐소드 재료가 또한 본 명세서에서 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 배터리의 캐소드는 본 명세서에 설명된 임의의 캐소드 재료로 제조되고 탄소 및 바인더(예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 PVDF)와 혼합된 필름을 포함한다. 이어서, 필름은 집전체(예를 들어, 알루미늄 또는 구리) 상에 배치될 수 있다. 수명이 다한 배터리에서, 캐소드 재료는 활성 원소(예를 들어, 리튬)가 고갈될 수 있다. 예로서 LiCoO2를 사용하면, 캐소드 재료는 LixCoO2로서 표시될 수 있고, 여기서 x는 1보다 작다(즉, x<1). 다른 예에서, 캐소드 재료는 LiNiaMnbCocAdO2(여기서 A = Al, Zr, Mg 등, a + b + c + d = 1)를 포함할 수 있고, 수명이 다한 배터리에서, 캐소드 재료는 LixNiaMnbCocAdO2(여기서 x는 1보다 작다)로서 표시될 수 있다.
배터리의 애노드 섹션의 애노드 재료는 또한 다양한 옵션을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 애노드 재료는 흑연을 포함한다. 일부 실시예에서, 애노드 재료는 주석, 주석-코발트 합금, 실리콘 또는 실리콘 산화물을 포함한다. 일부 실시예에서, 애노드 재료는 Li4Ti5O12를 포함한다. 일부 실시예에서, 배터리의 애노드는 바인더(예를 들어, PVDF)와 혼합된 흑연으로 형성되고 애노드 집전체(예를 들어, 구리 또는 알루미늄) 상에 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 배터리의 전해질은 유기 용매에 리튬 기반 염을 포함할 수 있다. 리튬 기반 염은, 예를 들어 LiPF6일 수 있다. 유기 용매는, 예를 들어 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate)(EC), 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate)(DMC), 에틸메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate)(EMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate)(DEC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate)(PC), 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
방법(100)에서 사용되는 용매는 전극(캐소드 및 애노드를 포함)에서 바인더를 용해하도록 구성되고 전해질과 함께 이온 전도성 매질을 형성하도록 추가로 구성된다. 일부 실시예에서, 용매는 PVDF와 같은 바인더를 용해시킬 수 있는 극성 용매를 포함할 수 있다. 그러한 극성 용매의 예는, 특히 디메틸포름아미드(dimethylformamide)(DMF), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide)(DMSO), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone)(NMP), 및 디메틸아세트아미드(DMAc)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 용매는 수용성 바인더를 용해시킬 수 있는 물을 포함할 수 있다. 그러한 바인더의 예는, 특히 폴리(산화 에틸렌)(poly(ethylene oxide))(PEO), 및 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose)(CMC)를 포함할 수 있다.
방법(100)의 단계 110에서 하나 이상의 배터리는 다양한 기술을 통해 다수의 코어 섹션으로 처리될 수 있다. 일부 실시예에서, 펀치 기계를 사용하여 배터리를 피스로 절단할 수 있다(예를 들어, 도 4a 내지 도 4d 참조). 일부 실시예에서, 배터리는 레이저 커터를 통해 절단될 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리는 워터 제트 커터를 통해 절단될 수 있다.
일부 실시예에서, 110에서의 처리는 회전 절단 휠로 수행된다. 일부 실시예에서, 110에서의 처리는 플라이 나이프(fly knife) 또는 톱날로 수행되며, 이는 각각의 코어 섹션의 스택의 깊이에 직교하는 방향을 따라 이동한다.
방법(100)을 통해 재활용될 각각의 배터리는 임의의 적절한 수의 코어 섹션으로 처리될 수 있다. 한편, 각각의 배터리로부터 생성되는 코어 섹션의 수를 증가시키면 각각의 코어 섹션과 용매의 접촉 면적(또는 접촉 면적 대 체적의 비율)이 증가될 수 있다. 다른 한편으로, 배터리를 너무 많은 피스로 절단하면 원하지 않는 부스러기 및 불순물이 발생할 수 있다. 각각의 배터리로부터 생성되는 코어 섹션의 수는 또한 배터리의 치수에 따라 달라질 수 있다(예를 들어, 더 큰 배터리로부터 더 많은 수의 코어 섹션이 생성될 수 있음). 일부 실시예에서, 각각의 배터리로부터 생성되는 코어 섹션의 수는 약 2 내지 약 50개(예를 들어, 그 사이의 임의의 값 및 하위 범위를 비롯하여, 약 2개, 약 3개, 약 5개, 약 10개, 약 20개, 약 30개, 약 40개, 또는 약 50개)일 수 있다.
방법(100)의 단계 120으로부터 생성된 캐소드 재료는 활성 원소의 실질적으로 균질한 분포를 특징으로 한다. 본 명세서에서 사용될 때, 활성 원소의 실질적으로 균질한 분포는 캐소드 재료를 형성하는 화합물에서 활성 원소의 원자 비율이 실질적으로 동일한 상황을 지칭한다. 예를 들어, 캐소드 재료는 LixCoO2(여기서, x는 1이거나(예를 들어, 완전 리튬화) 1보다 작음(즉, 리튬 부족))를 포함하고, 단계 120 이후에 생성된 캐소드 재료에서 LixCoO2의 상이한 분자는 실질적으로 동일한 x를 갖는다.
일부 실시예에서, 활성 원소의 균질한 분포는 원자 비율 분포의 표준 편차를 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 캐소드 재료는 LixCoO2를 포함할 수 있고 x의 표준 편차는 실질적으로 0.1 이하(예를 들어, 그 사이의 임의의 값 및 하위 범위를 비롯하여, 약 0.1, 약 0.09, 약 0.08, 약 0.07, 약 0.06, 약 0.05, 또는 그 이하)일 수 있다. 일부 실시예에서, x의 평균값은 x0로 표시될 수 있고, 각각의 LixCoO2 분자에서의 x는 활성 원소의 균질한 분포를 형성하도록 x0의 약 10% 이내(예를 들어, 그 사이의 임의의 값 및 하위 범위를 비롯하여, 약 10%, 약 9%, 약 8%, 약 7%, 약 6%, 약 5%, 약 4%, 약 3%, 약 2%, 약 1%, 또는 그 이하), 즉 0.9x0 내지 1.1x0일 수 있다. 상기 정의는 본 명세서에 설명된 임의의 다른 캐소드 재료에 유사하게 적용될 수 있다.
캐소드 재료에서 활성 원소의 분포를 실험적으로 추정하기 위해, 적어도 2개의 방법을 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 혼합물의 상이한 위치에 있는 캐소드 재료가 샘플링되고, 예를 들어 활성 원소의 원자 비율을 측정하도록 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광법(inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy)(ICP-AES)을 사용하여 특성화될 수 있다. 일부 실시예에서, 미소 규모로 개별 입자의 활성 원소 균질성을 측정하기 위해 X-선 단층 촬영이 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 방법(100)은 상이한 충전 상태를 갖는 배터리를 배치 재활용(batch recycle)하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리는 제1 충전 상태의 제1 배터리 및 제2 충전 상태를 갖는 제2 배터리를 포함할 수 있다. 단계 120 이후에, 이들 상이한 배터리로부터의 캐소드 재료는 함께 혼합되어 혼합물을 형성하고, 단계 120 동안 발생하는 운반 프로세스는 활성 원소(예를 들어, Li)의 분포를 실질적으로 균질화할 수 있다. 이어서, 단계 120 이후의 캐소드 재료는 배터리 등급 캐소드 재료를 형성하기 위해 재리튬화될 수 있다.
일부 실시예에서, 방법(100)은 활성 원소에서 상이한 정도의 결함을 갖는 배터리를 배치 처리하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리는 Lix1CoO2로 표시된 제1 캐소드 재료를 갖는 제1 배터리 및 Lix2CoO2로 표시된 제2 캐소드 재료를 갖는 제2 배터리를 포함할 수 있고, 여기서 x1은 x2와 상이하다. 방법(100)은 리튬(예를 들어, Lix3CoO2, 여기서 x3은 x1 및 x2와 상이함)의 균질한 분포를 갖는 제1 캐소드 재료 및 제2 캐소드 재료의 혼합물을 초래하고 후속 재리튬화를 위한 캐소드 재료를 준비할 수 있다.
일부 실시예에서, 활성 원소의 비균질성은 재활용 전에 단일 배터리 내에서 발생할 수 있다. 그러한 경우에, 상이한 코어 섹션으로부터의 캐소드 재료는 활성 원소에서 상이한 정도의 결함을 가질 수 있고, 방법(100)은 활성 원소 분포를 실질적으로 균질화하고 후속 재리튬화를 위한 캐소드 재료를 준비할 수 있다.
일부 실시예에서, 단계 120 동안 활성 원소의 운반은 용매 및 전해질에 의해 형성된 이온 전도성 매질에서 하나 이상의 첨가제에 의해 개선될 수 있다. 일부 실시예에서, 첨가제는 코어 섹션의 애노드 섹션으로부터의 전도성 탄소를 포함할 수 있다. 그러한 경우에, 애노드 섹션은 흑연을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 첨가제는 용매에 첨가된 전도성 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 결과적인 이온 전도성 매질의 전도도를 증가시키기 위해 탄소 분말이 용매에 첨가될 수 있다. 일부 실시예에서, 첨가제는 매질의 이온 전도도를 개선하기 위해 용매에 첨가되는 리튬 염을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 단계 120 동안 활성 원소의 운반은 초음파 혼합에 의해 개선될 수 있다. 그러한 경우에, 초음파 변환기를 사용하여 이온 전도성 매질을 수용하는 용기로 초음파를 전달하여 운반 효율을 증가시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 방법(100)은 이온 전도성 매질을 교반하는 것을 더 포함할 수 있다. 일 예에서, 이온 전도성 매질을 수용하는 용기를 유지하고 용기가 요동 운동되게 하여 운반 효율을 증가시키기 위해 요동 플랫폼이 사용될 수 있다. 다른 예에서, 하나 이상의 임펠러 또는 블레이드는 이온 전도성 매질을 수용하는 용기에 결합되어 이온 전도성 매질을 교반하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 방법(100)은 운반 효율을 증가시키기 위해 이온 전도성 매질의 온도를 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 히터는 이온 전도성 매질을 가열하기 위해 이온 전도성 매질을 수용하는 용기에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 설명된 운반 효율을 개선하는 기술의 임의의 조합이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 방법(100)은 전해질, 애노드 재료, 캐소드 재료, 및 오염물(예를 들어, 용해된 전극 바인더)의 농도를 제어하기 위해 용매의 제거 및 보충을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 방법(100)은 전기 화학적 프로세스 없이 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, 전기 화학적 프로세스는 전류의 통과에 의해 유발 또는 동반되고 2개의 물질 사이의 전자 이동을 수반하는 프로세스를 지칭한다. 그러한 경우에, 방법(100)은 활성 원소의 균질한 분포를 갖는 캐소드 재료를 제조하기 위해 사용되며, 그러한 캐소드 재료는 대규모의 활성 원소가 추가로 보충될 수 있다.
일부 실시예에서, 캐소드 재료의 혼합물은 애노드 재료, 집전체, 및 분리막과 같은 다른 구성요소를 더 포함한다. 그러한 경우에, 캐소드 재료는 추가 처리(예를 들어, 재리튬화)를 위해 혼합물로부터 추출될 수 있다. 일부 실시예에서, 캐소드 재료(예를 들어, 리튬 함유 화합물)와 애노드 재료(예를 들어, 흑연과 같은 탄소 기반 재료)는 밀도가 상이하므로, 밀도 기반 분리 프로세스를 사용하여 서로 분리될 수 있다(예를 들어, 원심 분리). 예를 들어, 애노드 활성 재료는 약 2 g/cc의 밀도를 갖는 흑연을 포함할 수 있고, 캐소드 재료는 약 4-5 g/cc의 밀도를 갖는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 그러한 밀도 차이는 밀도 기반 분리 프로세스가 균일하지만 비화학량론적 양의 리튬을 갖는 캐소드 활성 재료를 초래하게 한다.
일부 실시예에서, 다른 구성요소로부터 캐소드 재료의 분리는 여과 기술을 포함한다. 그러한 경우에, 캐소드 재료는 다른 구성요소의 일부와 상이한 입자 크기를 갖는다. 예를 들어, 여과 기술은 상이한 공극 크기의 하나 이상의 체를 사용하는 하나 이상의 체 선별 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 여과 기술은 입자의 응집을 분쇄하기 위해 초음파 변환기의 사용을 포함한다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기는 혼합물의 다른 구성요소로부터 캐소드 재료를 분리하는 데 사용된다. 예를 들어, 캐소드 재료는 그러한 초음파 변환기를 사용하여 집전체 또는 분리막으로부터 물리적으로 분리될 수 있다. 집전체, 분리막, 또는 기타 더 큰 피스는 바스켓 또는 기타 여과 디바이스를 사용하여 여과될 수 있다.
일부 실시예에서, 캐소드 재료의 분리 프로세스는 용매에서 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 용매는 물이다. 다른 실시예에서, 용매는 DMF, NMP, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올, 아세톤, EC, DMC, EMC, DEC 및 PC를 포함하지만 이에 제한되지 않는 유기 용매이다. 일부 실시예에서, 첨가제가 첨가 되어 분리 프로세스를 촉진할 수 있다. 일부 실시예에서, 첨가제는 용액의 pH를 변화시킨다. 일부 실시예에서, 첨가제는 용액의 pH를 상승시킨다. 일부 실시예에서, 첨가제는 LiOH, NaOH 또는 유사한 첨가제이다. 일부 실시예에서, 용매는 분리 속도 또는 효능을 증가시키기 위해 가열될 수 있다.
일부 실시예에서, 캐소드 재료의 분리 프로세스는 용해 기술을 포함한다. 캐소드 재료, 애노드 재료, 집전체, 전해질, 및/또는 분리막의 혼합물에서의 특정 구성요소는 우선적으로 용매에 용해될 수 있다. 그러한 구성요소는 나머지 혼합물로부터 용해 및 분리될 수 있다. 예를 들어, 암모니아 용액을 사용하여 혼합물로부터 Cu 및/또는 Al 집전체 또는 기타 구성요소를 용해 및 제거할 수 있다. 또 다른 예에서, LiOH, NaOH 또는 물에 있는 유사한 첨가제의 용액은 Al 집전체 또는 혼합물로부터의 다른 구성요소에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 혼합물은 분리 속도 또는 효능을 증가시키기 위해 가열될 수 있다.
일부 실시예에서, 다른 구성요소로부터 캐소드 재료의 분리는 소수성 분리 기술(부상 분리(flotation separation) 또는 포말 부유(froth flotation)라고도 지칭됨)을 통해 수행될 수 있다. 부상 분리는 다른 재료(예를 들어, 등유)의 소수성을 촉진하는 증강제 및 발포제(예를 들어, 장쇄 알코올, 4-메틸-2-펜탄올, 파인 오일)와 혼합된 용매(예를 들어, 물과 같은 극성 용매)를 사용한다. 증강제는 소수성인 구성요소에 우선적으로 결합한다. 용매는 주로 증강제, 발포제, 및 소수성 구성요소로 구성된 포말을 생성하도록 가스 첨가된다. 포말은 스크래핑 또는 기타 표면 포집 메커니즘을 통해 용액으로부터 분리된다. 그 후, 친수성 구성요소를 용액으로부터 별도로 포집한다. 그러한 경우에, 캐소드 재료는 일부 다른 구성요소와는 상이한 수준의 소수성을 갖는다. 예를 들어, LiCoO2와 같은 캐소드 재료는 친수성인 경향이 있는 반면, 흑연과 같은 일부 애노드 재료는 소수성인 경향이 있다. 따라서, 애노드 재료는 포말로부터 제거될 수 있고, 캐소드 재료는 포말 아래에 있는 용액으로부터 포집된다. 일부 실시예에서, pH 조절제(예를 들어, 나트륨 카보네이트, 수산화나트륨, 리튬 카보네이트, 및 수산화리튬), 분산제(deflocculant), 및 억제제(특정 화합물, 예를 들어 석회, 시안화나트륨, 및 덱스트린의 친수성을 증가시키는 데 사용됨)와 같은 기타 첨가제는 분리를 더욱 촉진하는 데 사용할 수 있다.
일부 실시예에서, 다른 구성요소로부터 캐소드 재료의 분리는 가열 기술을 통해 수행될 수 있다. 가열 기술(열처리라고도 지칭됨)은 캐소드 재료와 기타 구성요소의 혼합물을 혼합물의 특정 구성요소의 분해 또는 기화를 촉진하는 온도로 가열하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 특정 구성요소의 분해는 하나 이상의 기체 화합물에 대한 것이다. 예를 들어, 혼합물을 특정 온도(예를 들어, 섭씨 400도) 이상으로 가열하면 바인더(예를 들어, PVDF), 전해질(예를 들어, EC, DMC, EMC, DEC 및 PC), 용매(예를 들어, 다른 분리 프로세스 또는 방법(100)의 단계 120에서 사용되는 용매), 및/또는 분리막(예를 들어, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌)을 분해 또는 기화시킬 수 있다. 그러한 분해 또는 기화는 액체 혼합물로부터 분리될 수 있는 기체 화합물을 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 혼합물은 섭씨 약 400, 500, 600, 700 또는 800도 이상의 온도로 가열된다. 일부 실시예에서, 혼합물은 공기 중에서 가열된다. 일부 실시예에서, 혼합물은 비교적 불활성 또는 중성 분위기(예를 들어, N2, Ar, He 등)에서 가열된다. 일부 실시예에서, 혼합물은 환원 분위기(예를 들어, CO/CO2, N2, Ar, 또는 H2O 중의 H2)에서 가열된다.
일부 실시예에서, 다른 구성요소로부터 캐소드 재료를 분리하는 것은 와전류 기술을 통해 수행될 수 있다. 와전류 기술은 캐소드 재료와 기타 구성요소의 혼합물을 하나 이상의 회전 자성 재료로 운반하는 반송 시스템을 사용한다. 회전 자성 재료는 캐소드 재료와 기타 구성요소의 혼합물을 다양한 수준의 자화로 자화시키는 유도장을 생성한다. 이어서, 캐소드 재료와 기타 구성요소의 혼합물은 구성요소의 전자 전도도 대 밀도의 비율에 따라 상이한 구성요소를 상이한 정도로 끌어당기거나 밀어내는 강력한 자석에 의해 상이한 위치로 방출된다. 그러한 경우에, 캐소드 재료는 다른 구성요소와 전자 전도도 대 밀도의 비율이 상이하므로 다른 구성요소의 위치와는 상이한 위치로 방출된다.
일부 실시예에서, 방법(100)은 배터리를 다수의 코어 섹션으로 처리하기 전에 배터리를 비활성화시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 비활성화는 각각의 배터리의 양극 및 음극 모두가 전도성 분말(예를 들어, 아래의 도 3a 참조)과 전기적으로 접촉하도록 배터리를 전도성 분말에 배치함으로써 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 비활성화는 각각의 배터리의 양극 및 음극 모두가 전도성 유체와 전기적으로 접촉하도록 배터리를 전도성 유체에 배치함으로써 수행될 수 있다. 결과적으로, 배터리가 방전된다. 일부 실시예에서, 전도성 유체는 전도성 분말 및 용매를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전도성 분말은 사용 동안 용매에 현탁될 수 있다. 전도성 분말은, 예를 들어 탄소, 금속, 전도성 산화물, 또는 임의의 다른 적절한 전도성 재료를 포함할 수 있다. 용매는, 예를 들어 실리콘 오일, 식용유, 에틸렌 글리콜, 또는 임의의 다른 적절한 용매를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 용매는 물을 포함한다. 일부 실시예에서, 첨가제, 예를 들어 완충제 또는 다른 pH 조절 첨가제가 수성 용매에 첨가될 수 있다. 첨가제는 부식을 억제하기 위해 수성 용매의 pH를 상승시킬 수 있다. 또한, 용매의 기본 특성은 배터리에 의해 방출될 수 있는 산성 또는 산 형성 화합물을 중화시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리는 전도성 분말 또는 슬러리에 완전히 잠길 수 있다.
방전율은 일반적으로 전도성 분말의 전도도(또는 저항률)에 따라 달라진다. 따라서, 방전율을 조절하기 위해 상이한 전도성 분말을 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 전도성 분말은 금속(예를 들어, 알루미늄 분말, 철 분말, 구리 분말, 스테인리스강 분말 등)을 포함한다. 일부 실시예에서, 전도성 분말은 탄소(예를 들어, 흑연 분말, 카본 블랙 나노 분말, 또는 탄소 나노 튜브 등)를 포함한다. 일부 실시예에서, 전도성 분말은 전도성 산화물(예를 들어, 인듐 주석 산화물(indium tin oxide)(ITO), ZnO, In2O3, SnO2, 니켈 산화물, 및 망간 산화물 등)을 포함한다. 일부 실시예에서, 전도성 분말의 특성(예를 들어, 전기 전도도 또는 패킹 밀도)은 비전도성 또는 전도성 액체의 통합에 의해 전도도를 조절하도록 수정될 수 있다. 일부 실시예에서, 전도성 분말은 본 명세서에서 설명된 재료의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전도성 분말은 사용되는 용매와의 친화성을 증가시키기 위해 추가로 수정될 수 있다. 예를 들어, 수성 용매에서, 탄소 기반 전도성 분말은 산화되거나 분극화되어 수성 용매에서 더 균일하게 분산되는 덜 소수성인 화합물을 형성할 수 있다. 이러한 전도성 분말의 보다 균일한 분포는 용액의 전도도를 증가시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 비활성화는 본 명세서에 설명된 전도성 유체를 사용하여 수행된다. 그러한 경우에, 전도성 유체의 전도도(및 방전율에 따라)는 점도, 전도성 유체에서 전도성 분말의 농도, 및/또는 용매 재료에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어, 전자 전도도는 안정기에 도달할 때까지 점도의 증가와 관련하여 증가할 수 있다. 이온 전도도는 또한 편향점에 도달할 때까지 점도의 증가와 관련하여 증가할 수 있으며, 그 후 이온 전도도는 감소하기 시작한다.
일부 실시예에서, 방법(100)은 배터리를 다수의 코어 섹션으로 처리하기 전에 배터리의 방전 상태를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 추정은 방법(100)의 단계 110에서 안전한 해체를 허용하도록 배터리가 완전히 방전되었는 지의 여부를 결정하기 위해 수행된다. 그러한 경우에, 전도성 못을 사용하여 배터리를 관통할 수 있다(예를 들어, 아래의 도 3b 참조). 배터리가 그러한 테스트를 통과하면(예를 들어, 연기나 화재 없이), 배터리는 다수의 코어 섹션으로 처리된다. 그러나, 배터리가 테스트를 통과하지 못하면, 위험 제어 및 추가 방전을 위해 배터리를 소금물에 배치할 수 있다.
일부 실시예에서, 방전 상태의 추정은 전압 측정 기술을 사용하여 수행된다. 일부 실시예에서, 전압 측정 기술은 방전 매질 전체에 걸쳐 전도성 프로브를 배치하는 것을 포함한다. 배터리의 방전 상태는 유한 요소 해석 또는 기타 적절한 방법을 사용하여 각각의 프로브에서 측정된 전압으로부터 추정될 수 있다. 다른 실시예에서, 전압 측정 기술은 배터리의 방전 상태를 추정하기 위한 비접촉 전압 스캐닝 도구를 포함한다.
일부 실시예에서, 방전 상태의 추정은 전류 측정 기술을 사용하여 수행된다. 방전 상태의 변화는 전류와 상관될 수 있다. 일부 실시예에서, 홀 효과 센서를 사용하여 방전 상태를 추정한다.
방법(100)의 상기 설명은 예시적 목적만을 위한 예로서 리튬 이온 배터리를 주로 사용한다. 실제로, 방법(100)은 임의의 다른 적절한 유형의 에너지 저장 디바이스를 재활용하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 방법(100)은 리튬 이온 커패시터 및 슈퍼 커패시터(울트라 커패시터라고도 지칭됨)를 포함하는 커패시터를 재활용하는 데 사용될 수 있다.
도 2는 일부 실시예에 따른 배터리의 스케일러블 직접 재활용 방법(200)을 예시하는 흐름도이다. 방법(200)은 210에서, 배터리의 후속 처리 동안 안전을 보장하기 위해 배터리(예를 들어, 수명이 다한 배터리, 및/또는 결함 배터리 제품)를 비활성화하는 단계를 포함한다. 비활성화는 배터리를 단락시켜 배터리를 완전히 방전함으로써 달성될 수 있다(예를 들어, 본 명세서에 설명된 전도성 분말 또는 유체를 사용하여). 배터리 구성요소 폐기물(예를 들어, 결함 전극 시트, 잔류 슬러리)의 경우에, 그러한 폐기물의 재활용은 220 또는 230으로부터 시작할 수 있다.
210 이전 또는 이후에, 배터리는 원소 분석 도구(예를 들어, X-선 형광)에 의해 캐소드 재료에 따라 분류될 수 있다. 캐소드 재료의 요소는 파우치 커버를 분해하거나 분해하지 않고 식별될 수 있다. 동일한 캐소드 재료를 갖는 배터리는 추가 처리를 위해 함께 그룹화될 수 있다.
방법(200)은 또한 220에서 배터리의 물리적 분해를 포함한다. 일부 실시예에서, 배터리는 각기둥형 배터리 전지를 포함하고 이들 전지의 파우치는 220에서 절단 및 제거된다. 일부 실시예에서, 배터리는 원통형 전지를 포함하고 이들 배터리의 케이스는 220에서 절단 및 제거된다. 추가로, 각각의 배터리는 또한 다수의 코어 섹션으로 처리되고, 그러한 처리는 본 명세서에 설명된 방법(100)의 단계 110과 실질적으로 유사할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 코어 섹션은 적어도 애노드 섹션, 캐소드 섹션, 및 그 사이에 배치된 분리막을 포함한다. 단계 220의 출력은 (1) 포집되는 파우치 및/또는 케이스 재료; 및 (2) 후속 처리를 위한 코어 섹션을 포함한다.
이어서, 220으로부터의 코어 섹션은 화학적 처리 및 분리를 포함하는 230에서 처리된다. 이 단계에서, 코어 섹션은 전극의 바인더를 용해시키는 용매에 배치되어 집전체, 캐소드 재료, 애노드 재료, 전해질, 및 분리막이 혼합된다. 캐소드 재료의 활성 원소는 230(본 명세서에 설명된 방법(100)의 단계 120과 유사함) 동안 실질적으로 균질화된다. 균질화된 캐소드 재료는 원심 분리 프로세스를 통해 추출될 수 있다. 금속 부품(예를 들어, Al 또는 Cu 집전체), 분리막, 및 전해질이 또한 분리되어 재활용될 수 있다. 화학적 처리 및 분리 프로세스에 대한 보다 상세한 내용은 도 6 및 도 7을 참조하여 아래에서 제공된다.
240에서, 캐소드 재료는 배터리 등급 캐소드 재료를 생성하도록 처리된다. 본 명세서에 설명되는 바와 같이, 230으로부터 생성된 캐소드 재료는 일반적으로 활성 원소가 부족하고, 240에서의 재료 처리는 활성 원소를 보충하기 위해 사용된다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리의 경우, 재료 처리(240)는 캐소드 재료를 재리튬화할 수 있다. 재료 처리의 보다 상세한 내용은 (예를 들어, 도 10a 및 도 10b를 참조하여) 아래에 제공된다.
도 3a 및 도 3b는 일부 실시예에 따른 배터리의 비활성화 및 충전 상태 추정을 각각 예시한다. 도 3a는 배터리(330)를 비활성화시키는 방법(300)을 예시한다. 방법(300)에서, 양극 및 음극에 각각 전기적으로 결합된 배터리의 2개의 탭(335a 및 335b)(2개의 리드(335a 및 335b)라고도 지칭됨)은 용기(310)에 수용된 전도성 분말(320)에 배치된다. 전도성 분말(320)은 배터리(330)를 단락시켜 배터리(330)를 완전히 방전시킴으로써, 배터리(330)의 후속 처리 동안 안전을 보장하도록 구성된다.
방법(300)에서의 방전율은 전도성 분말(320)의 저항(또는 전도도)에 따라 달라질 수 있다. 실제로, 전도성 분말(320)의 저항은 분말 재료 및/또는 분말 입자 크기의 선택에 의해 조절될 수 있다. 달리 말하면, 상이한 분말 재료 및/또는 분말 입자 크기를 사용하면 배터리(330)의 방전율을 제어할 수 있다.
일부 실시예에서, 전도성 분말은 금속(예를 들어, 알루미늄 분말, 철 분말, 구리 분말, 스테인리스강 분말 등)을 포함한다. 일부 실시예에서, 전도성 분말은 탄소(예를 들어, 흑연 분말, 카본 블랙 나노 분말, 또는 탄소 나노 튜브 등)를 포함한다. 일부 실시예에서, 전도성 분말은 전도성 산화물(예를 들어, 인듐 주석 산화물(indium tin oxide)(ITO), ZnO, In2O3, SnO2, 니켈 산화물, 및 망간 산화물 등)을 포함한다.
전도성 분말(320)의 입자 크기는, 예를 들어 약 200 nm 내지 약 1 cm(예를 들어, 그 사이의 임의의 값 및 하위 범위를 비롯하여, 약 200 nm, 약 300 nm, 약 500 nm, 약 1 ㎛, 약 2 ㎛, 약 3 ㎛, 약 5 ㎛, 약 10 ㎛, 약 20 ㎛, 약 30 ㎛, 약 50 ㎛, 약 100 ㎛, 약 200 ㎛, 약 300 ㎛, 약 500 ㎛, 약 1 mm, 약 2 mm, 약 3 mm, 약 5 mm, 또는 약 1 cm)일 수 있다.
도 3a는 배터리(330)가 단지 예시 목적을 위해 각기둥형 구성을 갖는 것을 도시한다. 일부 실시예에서, 배터리(330)는 원통형 구성과 같은 임의의 다른 적절한 구성을 가질 수 있다. 그러한 경우에, 배터리(330)의 2개의 전극이 전도성 분말(320)을 통해 서로 전기적으로 연결되도록 전체 배터리(330)가 전도성 전력(320)에 침지될 수 있다. 일부 실시예에서, 방법(300)은 비활성화를 위해 전도성 분말(320) 대신에 또는 이에 추가하여 본 명세서에 설명된 전도성 유체를 사용할 수 있다.
도 3b는 배터리(330)의 방전 상태를 테스트하는 방법(301)을 예시한다. 방법(301)에서, 전도성 바늘(350)을 사용하여 배터리(330)를 관통하여, 배터리(330)의 2개의 전극과 전기적 접촉을 갖는다. 일부 실시예에서, 전도성 바늘(350)은 못 또는 임의의 다른 적절한 도구로 대체될 수 있다. 이 관통 프로세스는 도 3a에 예시된 비활성화 방법(300)의 안전 보증 및 품질 관리로서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 연기 검출기 또는 가스 센서가 사용되어 방법(301) 동안 연기 및 가스를 각각 검출한다. 비활성화(300) 및/또는 방전 상태 테스트(301) 동안 배터리(330)가 고장 나는 경우(예를 들어, 배터리(330)에 불이 난 경우), 고장난 배터리(300)를 화재 또는 연기를 방지하기 위해 즉시 액체(예를 들어, 염수)에 침지시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 일부 실시예에 따라 배터리(470)를 다수의 코어 섹션(475)으로 처리하는 방법(400)을 예시한다. 방법(400)은 2개의 스프링(420)을 통해 베이스(430)에 결합된 다이(410), 2개의 안내 기둥(450)(안내 포스트(450)라고도 지칭됨)을 따라 이동 가능한 펀치(440)(커터(440) 또는 블레이드(440)라고도 지칭됨)를 포함하는 장치(401)를 사용하여 구현된다. 배터리(470)는 처리를 위해 홀더(460) 상에 배치된다. 일부 실시예에서, 배터리(470)가 홀더(460) 상에 배치되기 전에 배터리(470)의 파우치 또는 케이스가 제거된다.
도 4a는 배터리(470)의 적어도 일부가 다이(410) 바로 위에 있도록 배터리(470)가 다이(410)를 향해 전진하는 것을 도시한다. 이 단계에서, 다이(410)는 개방되고 스프링(420)은 연장된다(즉, 압축되지 않음). 일부 실시예에서, 배터리(470)는 다이(410)를 향해 수동으로 전진될 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리(470)를 펀치(440) 아래에 배치하기 위해 컨베이어 또는 푸셔(도 4a에 도시되지 않음)가 사용될 수 있다.
도 4b는 펀치(440)가 배터리(470)를 절단하기 위해 안내 기둥(450)을 따라 아래로 이동함으로써 배터리(470)에 대해 가압되는 것을 도시한다. 일부 실시예에서, 펀치(440)는 배터리(470)에 대해 수동으로 가압될 수 있다. 일부 실시예에서, 모터(도 4a에 도시되지 않음)가 펀치(440)의 움직임을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 푸셔는 배터리(470)를 밀고 펀칭을 위해 배터리(470)를 점증적으로 전진시키기 위해 사용될 수 있다. 이 단계에서, 다이(410)는 폐쇄되고 스프링(420)은 압축된다.
도 4c에서, 펀치(440)가 위로 상승되고 펀치(440) 바로 아래의 배터리(470)의 부분이 다수의 코어 섹션(475)으로 절단된다. 순서대로 배치된 5개의 코어 섹션(475)이 도 4c에 예시되어 있다. 일부 실시예에서, 펀치(440) 및 다이(410)는 1회의 펀치 동안 배터리(470)를 임의의 다른 수의 코어 섹션으로 절단하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 펀치(440) 및 다이(410)는 배터리(470)를 코어 섹션(475)의 2차원(two-dimensional)(2D) 어레이로 절단하도록 구성될 수 있다.
도 4d에서, 배터리(475)는 다시 전진되어 이전 펀치 동안 생성된 코어 섹션(475)의 포집을 허용한다. 게다가, 전진은 또한 또 다른 처리 라운드를 위해 펀치(440) 아래에 배터리(470)의 새로운 부분을 배치한다. 이 프로세스는 실질적으로 전체 배터리(470)가 코어 섹션으로 처리될 때까지 계속될 수 있다.
도 4a 내지 도 4d에서, 단지 하나의 배터리(470)만이 예시 목적으로 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 배터리(470)는 다수의 배터리를 포함할 수 있다. 펀치(440) 및 다이(410)는 다수의 배터리(470)를 코어 섹션(475)의 2D 어레이로 절단하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 코어 섹션(475)은 도 4d에 설명된 방법을 통해 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 홀더(460)는 절단 후에 코어 섹션(475)을 별도의 위치로 방출하기 위해 개방될 수 있는 오리피스를 포함한다.
도 5a 내지 도 5c는 일부 실시예에 따라 도 4a 내지 도 4d에 예시된 방법을 통해 다수의 코어 섹션으로 처리될 수 있는 배터리의 개략도를 도시한다. 도 5a는 원통형 구성을 갖는 배터리(501)의 개략도를 도시한다. 배터리(501)는 적어도 애노드(511), 캐소드(521), 및 그 사이에 배치된 분리막(531)을 포함한다. 이어서, 애노드(511), 캐소드(521), 및 분리막(531)의 스택은 케이스(541)(보통, 금속 케이스)에 수용되는 젤리롤로 롤링됨으로써, 원통형 구성을 초래한다. 방법(400)은 도 5a에 도시된 바와 같이 AA 라인, 또는 A'A' 라인, 또는 둘 모두를 따라 배터리(501)를 절단하도록 구현될 수 있고, 각각의 결과적인 코어 섹션은 캐소드, 애노드 및 분리막의 다중 권선을 포함하는 단축 젤리롤을 포함할 수 있다.
도 5b는 각기둥형 케이스 구성을 갖는 배터리(502)의 개략도를 도시한다. 배터리(502)는 캐소드(512), 애노드(522), 및 그 사이에 배치된 분리막(532)을 포함한다. 캐소드(512), 애노드(522), 및 분리막(532)은 함께 적층되어 케이스(542)(보통, 금속 케이스)에 수용되는 시트 구조를 형성함으로써, 각기둥형 케이스 구성을 형성한다. 방법(400)은 도 5b에 예시된 바와 같이 BB 라인, 또는 B'B' 라인, 또는 둘 모두를 따라 배터리(502)를 절단하도록 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리(502)는 다중 스택 구조를 포함할 수 있고, 각각의 스택은 캐소드, 애노드, 및 분리막을 포함한다. 결과적으로, 방법(400)에 의해 생성된 각각의 코어 섹션은 다수의 캐소드 섹션, 애노드 섹션, 및 분리막 섹션을 포함한다. 일부 실시예에서, 도 5a 및 도 5b에 예시된 배터리(501 및 502)는 추가 처리(예를 들어, 펀칭)를 위해 밀어 낼 수 있는 배터리 코어를 노출시키기 위해 적어도 하나의 단부가 절단 개방될 수 있다.
도 5c는 각기둥형 파우치 구성을 갖는 배터리(503)의 개략도를 도시한다. 배터리(503)는 캐소드(513), 애노드(523), 및 그 사이에 배치된 분리막(533)을 포함한다. 캐소드(513), 애노드(523), 및 분리막(533)은 함께 적층되어 파우치(543)(보통, 금속 포일)에 수용되는 시트 구조를 형성함으로써, 각기둥형 파우치 구성을 형성한다. 방법(400)은 도 5c에 예시된 바와 같이 CC 라인, 또는 C'C' 라인, 또는 둘 모두를 따라 배터리(503)를 절단하도록 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리(503)는 다중 스택 구조를 포함할 수 있고, 각각의 스택은 캐소드, 애노드, 및 분리막을 포함한다. 결과적으로, 방법(400)에 의해 생성된 각각의 코어 섹션은 다수의 캐소드 섹션, 애노드 섹션, 및 분리막 섹션을 포함한다.
도 5a 내지 도 5c에 예시된 바와 같은 절단선 AA, A'A', BB, B'B', CC, 및 C'C'는 배터리(501 내지 503)의 적어도 하나의 에지에 실질적으로 평행하다. 일부 실시예에서, 임의의 다른 적절한 절단선이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리(502 및 503)의 절단은 케이스/파우치의 대각선을 따라 발생할 수 있다.
도 6은 일부 실시예에 따른 배터리의 직접 재활용에서 화학적 처리 및 분리 방법을 예시하는 흐름도이다. 방법(600)은 610에서 배터리로부터 생성된 코어 섹션의 초음파 세정을 포함한다. 각각의 코어 섹션은 적어도 하나의 애노드/캐소드/분리막 조립체를 포함한다. 코어 섹션은 바인더를 용해하는 용매 뿐만 아니라 전해질 용매 및 전해질 염에 배치된다. 이 단계에서, 코어 섹션은 캐소드/애노드 재료(보통, 입자 형태), 분리막 피스, 및 집전체 피스를 비롯하여 개별 구성요소로 분리된다. 이들 구성요소는 혼합물로 함께 혼합된다.
방법(600)은 또한 620에서 분리 장비(예를 들어, 필터-혼합기-건조기(filter-mixer-dryer)(FMD), 및/또는 배치 원심 분리기 또는 연속 작동 경사 분리기와 같은 원심 분리기 유형 장비)에서 다단계 세정 프로세스를 통해 애노드 및 캐소드 재료의 혼합물을 추출하는 단계를 포함한다. 달리 말하면, 이 단계 동안, 애노드와 캐소드 재료의 혼합물은 610에서 생성된 혼합물의 다른 구성요소로부터 분리된다. 이어서, 애노드와 캐소드 재료의 혼합물은 재리튬화를 위해 전달되고, 나머지 구성요소(예를 들어, 바인더, 전해질 염 등)는 추가 분리를 받는다.
630에서, 증류 컬럼은 각각의 비등점에 따라 다단계 세정(620)으로부터 유출물의 구성요소를 분리하는 데 사용된다. 유출물이 증류 컬럼을 통해 아래로 이동함에 따라, 구성요소가 증발하고 이어서 적절한 응축 온도로 작동하는 하나 이상의 응축기에 의해 (640에서) 응축된다. 응축기는 전해질 용매(예를 들어, DMC)를 추출하도록 구성되며, 전해질 용매는 이어서 외부 용매 회수 회사로 전달하기 위해 포집된다. 용매 회수 시스템(예를 들어, 단계 660 참조) 내에 통합될 수 있는 적어도 하나의 응축기는 적절한 온도로 작동하여 증류 컬럼을 빠져나가는 세정 용매 증기를 응축시킨다. 이 응축기로부터의 응축된 세정 용매는 다른 작업(예를 들어, 건조)으로부터 회수된 용매와 결합되어, 1차 세정 프로세스(예를 들어, 620)로 복귀된다. 증류 컬럼의 바닥으로부터(예를 들어, 단계 630으로부터)의 액체 유출물은 증발기에서(650에서) 증발되고 증기는 증류 컬럼을 통해 위로 이동하여 컬럼을 가열하고 증기를 각각의 응축기에 제공한다. 고체(예를 들어, LiPF6, PVDF 및 CMC)와 함께 비등점이 높은 용매(예를 들어, EC 및 PC)는 폐수 스트림에서 증발기로부터 방출된다.
도 7은 일부 실시예에 따른 배터리의 직접 재활용 동안 화학적 처리 및 분리를 위한 시스템(700)을 예시한다. 화학적 처리 및 분리 프로세스는 3개의 분리 프로세스(즉, 제1 분리 프로세스, 제2 분리 프로세스 및 제3 분리 프로세스)와 하나의 용매 회수 프로세스를 더 포함하며, 이들 각각은 배치 구성 또는 연속 유동 구성으로 구현될 수 있다.
시스템(700)은 배터리의 코어 섹션(예를 들어, 도 4a 내지 도 4d에 예시된 방법(400)에 의해 생성됨)을 수용하기 위한 세정 고정구(712)를 포함한다. 일부 실시예에서, 세정 고정구(712)는 금속 와이어 바스켓을 포함한다. 일부 실시예에서, 세정 고정구(712)는 천공된 바스켓을 포함한다. 다른 적절한 고정구가 또한 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 코어 섹션은 애노드 시트(즉, 구리 집전체, 활성 애노드 재료, 및 애노드 바인더), 전해질 충전 분리막, 및 캐소드 시트(즉, 알루미늄 집전체, 활성 캐소드 재료, 및 캐소드 바인더)의 다수의 층을 포함한다.
시스템(700)은 또한 코어 섹션이 로딩된 세정 고정구(712)를 수용하기 위한 초음파 세정기(714)를 포함한다. 초음파 세정기(714)는 세정 용매(예를 들어, N-메틸-2-피롤리돈, NMP, 또는 수용액과 같은 유기 용매)(본 명세서에서 세정 용매라고도 지칭됨)를 수용하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 초음파 세정기(714)는 세정 용매 위에 헤드 스페이스를 획정하고, 헤드 스페이스는 불활성 가스(예를 들어, 질소)로 채워질 수 있다.
제1 분리 프로세스는 세정 용매가 코어 섹션을 현탁시키기 위해 프로펠러 또는 용매의 유체 제트에 의해 교반되는 초음파 세정기(714)에서 구현된다. 또한, 초음파 변환기를 사용하여 초음파를 현탁액으로 전달하여 화학적 처리의 효율성을 증가시킨다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기는 초음파 세정기(714)에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기는 초음파 세정기(714)의 벽에 인접하게 위치될 수 있다.
교반 및 초음파 작용의 결과로서, 코어 섹션이 구성요소로 분리된다. 게다가, 세정 용매를 이용한 초음파 교반은 애노드 및 캐소드 바인더를 용해시키고 집전체 표면으로부터 활성 재료를 제거한다. 또한, 전해질 용매(예를 들어, DMC, PC 및 EC) 및 전해질 염(예를 들어, LiPF6)은 세정 용매로 용해된다. 초음파 세정기(714)를 떠나는 현탁액은: (1) 애노드 및 캐소드 모두로부터의 미세한 활성 재료 입자; (2) 더 큰 분리막 피스; 및 (3) 세정기를 오버플로할 수 있는 집전체 재료의 칩을 포함한다. 이들 구성요소는 모두 세정 용매와 전해질 염의 혼합물에 현탁된다.
여과기(716)는 초음파 세정기(714)로부터 현탁액을 수용하기 위해 시스템(700)에 사용된다. 여과기(716)는 현탁액이 여과기(716)를 통과할 때 현탁액에서 분리막 피스 및 부스러기를 제거하도록 구성된다. 펌프(718)(다이아프램 펌프)는 여과기(716)에 작동 가능하게 결합되어 필터-혼합기-건조기(FMD)(720)를 통해 현탁액을 강제할 수 있도록 충분한 압력을 제공하며, 여기서 미세한 활성 재료가 현탁액으로부터 분리된다. 일부 실시예에서, 분리는 FMD(720) 대신에 또는 이에 추가하여 원심 분리 장비에 의해 달성될 수 있다. 원심 분리 장비는, 예를 들어 재료의 상이한 밀도에 기초하여 혼합물에서 재료를 분리하고 상이한 밀도의 재료를 상이한 출구에서 방출할 수 있는 경사 분리기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 분리는 액체에서 혼합함으로써 용이하게 될 수 있다. 예를 들어, 혼합물은 각각 별개의 밀도를 갖는 2개의 고체 재료를 포함할 수 있고, 2개의 고체 재료의 2개의 밀도 사이의 밀도를 갖는 무거운 액체는 혼합물로 혼합될 수 있다. 무거운 액체의 예로는 특히 브로모포름, 테트라브로모에탄, 요오드화 메틸렌, 나트륨 폴리텅스테이트, 나트륨 메타텅스테이트, 및 리튬 메타텅스테이트를 포함할 수 있다.
FMD(720)를 떠나는 여과물은 세정기(714)의 바닥에 위치된 노즐을 통해 세정기(714)로 복귀된다. 노즐은 코어 섹션의 교반을 위한 유체 제트를 제공하도록 구성될 수 있거나, 프로펠러에 의해 교반이 제공될 수 있다. 세정기(714)에서의 교반 및 초음파 프로세스는, (1) 모든 코어 섹션이 개별 구성요소로 분리되고; (2) 캐소드 재료가 캐소드 집전체로부터 제거되며; (3) 애노드 재료가 애노드 집전체로부터 제거될 때까지 계속된다.
제1 분리 프로세스는 일련의 준역류 세정 스테이지에서 수행된다(예를 들어, 3개의 스테이지가 예시되어 있지만 더 많거나 더 적은 스테이지가 사용될 수 있음). 규정된 시간 이후, FMD(720)를 떠나는 여과물이 후속 재활용을 위해 제1 저장 탱크(730a(R1))로 전환됨에 따라 세정기(714)가 배수된다. 제1 세정 스테이지에서, FMD(720)는 초음파 세정기(714)로부터의 액체보다 용해된 고체의 농도가 더 낮은 후속 세정 스테이지(탱크(W2)로부터 공급됨)로부터 저장된 여과물로 다시 채워진다. FMD(720)의 재료는 현탁액에서 교반되고 규정된 시간 이후에 FMD(720)를 떠나는 여과물이 재사용을 위해 초음파 세정기(714)로 전환됨에 따라 FMD(720)가 다시 배수된다. 제2 세정 스테이지에서, FMD(720)는 세정 스테이지 1의 여과물보다 용해된 고체의 농도가 더 낮은 후속 세정 스테이지(탱크(W1)로부터 공급됨)로부터 저장된 여과물로 다시 채워진다. FMD(720)의 재료는 현탁액에서 교반되고 규정된 시간 이후에 FMD(720)를 떠나는 여과물이 후속 재사용을 위해 저장 탱크(730b)(2회 사용된 유체에 대해 W2로 지정됨)로 전환됨에 따라 FMD(720)가 다시 배수된다. 제3 세정 스테이지에서, FMD(720)는 용해된 고체가 없는 증류 또는 순수 세정 용매로 다시 채워진다. 세정 프로세스는 규정된 시간 이후에 FMD(720)가 다시 배수되고 FMD를 떠나는 여과물이 후속 재사용을 위해 제3 저장 탱크(730c)(1회 사용된 유체에 대해 W1로 지정됨)로 전환될 때까지 재개된다.
최종 세정 후에, FMD(720)에 남아있는 미세한 고체는 건조 질소로 FMD(720)를 가압함으로써 유체를 배출한다. 그런 다음, 고체를 진공 하에 FMD(720)에서 가열하고 교반하여 건조를 달성한다. 일부 실시예에서, 습식 고체는 전용 건조기(도 7에 도시되지 않음)에서 건조를 위한 원심 분리와 같은 다른 프로세스에 의해 현탁액으로부터 제거될 수 있다. 건조된 고체(즉, 애노드 및 캐소드 활성 재료의 혼합물)는 재리튬화와 같은 후속 처리를 위해 FMD(720)로부터 또는 전용 건조기로부터 방출된다.
제1 분리 프로세스 후에, 세정 고정구(712)는 베어 집전체 피스만을 수용한다. 이 시점에서, 세정 고정구(712)는 임의의 남아있는 세정 용매의 배수를 촉진하기 위해 기계적으로 교반될 수 있다. 그 다음, 세정 고정구(712)는 세정기(714)로부터 제거되고 재순환 가스 건조기(740)에 배치된다. 가열된 가스(예를 들어, 질소)는 건조기(740)를 통해 유동하여 집전체 피스를 교반하고 잔류 세정 용매를 증발시킨다. 건조기(740)로부터의 가스는 저온으로 냉각되어 용매 증기가 응축되게 한다. 응축물은 이어서 후속 정제 및 재사용을 위해 재활용 탱크(R1)(742)로 전달된다. 용매 증기가 응축되고 제거된 후에, 가스는 재가열되고 건조기(740)로 재순환되어 추가 용매를 증발시킨다. 건조 후, 집전체 피스는 알루미늄 및 구리 플레이크를 분리하기 위해 세정 고정구(712)로부터 제3 분리 프로세스로 전달된다.
용매 회수 프로세스에서, 제1 재활용 탱크(730a)(R1)로부터의 용매 혼합물(예를 들어, 전해질 용매 및 염과 혼합된 세정 용매)이 증류 컬럼(750)으로 전달된다. 증류 컬럼(750)에서, 제1 재활용 탱크(730a)로부터의 유출물의 구성요소가 각각의 비등점에 따라 분리된다. 유출물이 증류 컬럼을 통해 아래로 이동함에 따라, 구성요소가 증발되고 후속적으로 하나 이상의 응축기에 의해 응축된 다음 컨테이너(752)에 저장된다. 응축기 및 관련 컨테이너는 전해질 용매(예를 들어, DMC)를 추출하고, 이 용매는 이어서 외부 용매 회수 회사로 전달한다. 적어도 하나의 응축기(예를 들어, 774)는 증류 컬럼(750)을 빠져나가는 세정 용매(예를 들어, NMP) 증기를 응축시키기 위해 적절한 온도에서 작동한다. 응축기(774)로부터의 응축물은 세정 프로세스에서 재사용하기 위해 포집된다. 증류 컬럼(750)의 바닥으로부터의 액체 유출물은 증발기(760)에서 증발되고, 결과적인 증기는 증류 컬럼(750)을 통해 위로 이동하여 증류 컬럼(750)을 가열하고 각각의 응축기에 증기를 제공한다. 고체(예를 들어, LiPF6, PVDF 및 CMC)와 함께 비등점이 높은 용매(예를 들어, EC 및 PC)는 폐수 스트림에서 증발기로부터 방출된다.
건조 작업 동안 FMD(720)로부터 순수한 세정 용매 증기를 제거하기 위해 진공 펌프(772)가 시스템(700)에 포함된다. 진공 펌프(772)는 세정 용매 증기를 응축기(774)로 방출하고, 여기서 증기는 증류 컬럼(750)으로부터의 세정 용매 증기와 함께 응축된다. 응축기(774)를 빠져나가는 비응축성 가스(주로 질소)는 흡착제 베드(776)를 통과하여 남아있는 유기 증기를 제거한 다음 분위기로 방출된다. 제3 분리 프로세스에서, 애노드 집전체 피스(예를 들어, 9.0 g/cm3의 밀도를 갖는 구리)는 진동 분리 프로세스를 사용하여 캐소드 집전체 피스(예를 들어, 2.7 g/cm3의 밀도를 갖는 알루미늄)로부터 분리된다.
진공 펌프(772)는 건조 작업 동안 용매 회수 증류기(760)로부터 그리고 FMD(720)로부터 순수한 세정 용매 증기를 제거하기 위해 시스템(700)에 포함된다. 진공 펌프(772)는 압력 하에서 세정 용매 증기를 응축기(774)로 방출하고, 여기서 세정 용매는 응축되고 재사용을 위해 포집된다. 비응축성 가스(주로 질소)는 흡착제 베드(776)를 통과하여 남아있는 유기 증기를 제거한 다음 분위기로 방출된다. 제3 분리 프로세스에서, 애노드 집전체 피스(예를 들어, 9.0 g/cm3의 밀도를 갖는 구리)는 진동 분리 프로세스를 사용하여 캐소드 집전체 피스(예를 들어, 2.7 g/cm3의 밀도를 갖는 알루미늄)로부터 분리된다.
도 8a 내지 도 8c는 일부 실시예에 따른 배터리의 스케일러블 직접 재활용 동안 리튬 평형화 프로세스(800)를 예시한다. 프로세스(800)에서, 상이한 충전 상태의 배터리로부터의 리튬 부족 캐소드 활성 재료(820a 및 820b)는 리튬 함유 염 용액(812)에 전도성 탄소(814)를 포함하는 혼합물(810)에 리튬 부족 캐소드 재료(820a 및 820b)를 현탁시킴으로써 리튬 균질성에 도달할 수 있다.
도 8a에 예시된 바와 같이, 캐소드 및 애노드 활성 재료 혼합물(예를 들어, 방법(100)의 단계 120 동안, 방법(200)의 단계 230 동안, 방법(600) 동안, 또는 방법(700) 동안 생성됨)이 리튬 염 용액(812)에 침지되어 현탁액을 형성한다. 용매는 물 또는 유기 용매(예를 들어, NMP, DMC)일 수 있다. 리튬 염은, 예를 들어 LiPF6, LiOH, Li2SO4, LiCl, 또는 LiNO3일 수 있고, 농도는 염의 용해도에 따라 약 1M 내지 약 5M 범위일 수 있다. 일부 실시예에서, 전도성 탄소(814)는 애노드 활성 재료의 전도성 구성요소에 의해 직접적으로 기인할 수 있다. 일부 실시예에서, 전도성 탄소(814)는 외부 소스로부터 혼합물(810)에 첨가될 수 있다.
도 8b는 현탁액이 리튬 부족 캐소드 재료(820a 및 820b) 사이에서 리튬 함량의 균질성을 달성하기 위해 리튬 평형화 과정을 거치는 것을 도시한다. 리튬 부족 캐소드 재료(820a 및 820b)(Lix1CoO2 및 Lix2CoO2로 표시되고, 여기서 x1>x2) 및 전도성 탄소(814)를 리튬 염 용액(812)에 현탁시킨 후에, 전자와 리튬 이온은 Lix1CoO2(820a)로부터 Lix2CoO2(820b)로 유동하기 시작한다. 그러한 운반은 도 8c에 예시된 바와 같이 현탁액의 모든 입자에 대해 균질한 조성물 LixCoO2을 생성한다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 리튬 평형화 프로세스(800)는 화학적 처리(예를 들어, 방법(100)의 단계 120, 방법(200)의 단계 230, 방법(600 및 700)) 동안 발생할 수 있으며, 이에 의해 화학적 분리 및 리튬 평형화를 동시에 허용한다. 이는 그러한 프로세스 단계에서 사용되는 용매 NMP가 전극 바인더(예를 들어, PVDF, 수성 바인더 CMC 등)를 용해시킬 수 있고 또한 배터리 전해질과 혼화되어 이온 전도성 리튬 함유 용액을 형성할 수 있기 때문이다.
일부 실시예에서, 리튬 평형화 프로세스는 활성 전극 재료가 여전히 집전체에 부착되어 있을 때 화학적 처리 전에 시트 형태로 발생할 수 있다. 캐소드 재료로 코팅된 집전체의 다수의 시트가 전기적으로 연결될 때, 리튬 이온 및 전자 이동은 도 8a 내지 도 8c에 예시된 유사한 메커니즘에 기초하여 발생할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 일부 실시예에 따른 시트 형태의 전극의 리튬 평형화 프로세스(900)를 예시한다. 프로세스(900)에서, 2개의 캐소드 시트(920a 및 920b)는 용기(910)에 수용된 리튬 염 용액(915)에 침지된다. 도 9a에 예시된 바와 같이, 제1 캐소드 시트(920a)는 Lix1CoO2로 표시된 제1 리튬 부족 재료를 포함하고, 제2 캐소드 시트(920b)는 Lix2CoO2로 표시된 제2 리튬 부족 재료를 포함한다.
도 9b는 2개의 캐소드 시트(920a, 920b)가 서로 전기적으로 결합됨으로써, 2개의 캐소드 시트(920a, 920b) 사이에서 전자와 리튬 이온의 운반을 허용하는 것을 도시한다. 보다 구체적으로, 도 9c에 예시된 바와 같이, 리튬 이온은 제1 캐소드 시트(920a)를 떠나 제2 캐소드 시트(920b)로 들어감으로써, 동일한 캐소드 재료 LixCoO2를 갖는 2개의 캐소드 시트(930a 및 930b)를 생성한다.
일부 실시예에서, 평형화 후에, 캐소드 활성 재료는 코어 섹션에 대해 전술한 것과 유사한 세정 프로세스에서 집전체로부터 분리되어 균일하지만 비화학량론적 양의 리튬을 갖는 캐소드 활성 재료를 초래할 수 있다.
이어서, 균질한 리튬 분포를 갖는 리튬 부족 캐소드 재료를 평가하여 리튬 화학량론을 결정할 수 있다. 리튬 염(예를 들어, LiOH, Li2CO3 등)은 건조 분말 또는 습식 슬러리 혼합 장비(예를 들어, 로터리 믹서, 블렌더 등)을 사용하여 리튬 부족을 해결하기 위해, 즉 재리튬화를 위해 첨가될 수 있다. 결과적인 혼합물을 열처리하여 활성 재료에서 리튬 화학량론을 복원하고 활성 재료 구조의 손상을 해결할 수 있다.
리튬 부족 캐소드 재료의 재리튬화는 적어도 2개의 접근법을 통해 달성될 수 있다. 제1 접근법에서, 리튬 함유 재료가 사용된다. 리튬 함유 재료는 재리튬화될 리튬 부족 캐소드 재료의 입자 크기와 유사한 입자 크기를 갖는다. 그러한 리튬 함유 재료의 예는, 특히 LiOH·H2O 분말, Li2CO3, 및 LiCH3COO를 포함한다. 여기에서의 설명은 LiOH·H2O를 예시 목적을 위해서만 사용한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 설명된 임의의 다른 리튬 함유 재료가 또한 사용될 수 있다.
이 제1 접근법에서, 리튬 부족 캐소드 재료(예를 들어, LixCoO2, 여기서 x<1)는 리튬 함유 재료와 균질하게 혼합되어 혼합물을 형성한다. 일부 실시예에서, 혼합물은 (1-x) 몰의 LiOH·H2O에 대한 1 몰의 LixCoO2의 화학량론적 비율에 있다. 통상적으로, 완전히 순환된(즉, 수명이 다한) 캐소드로부터의 LixCoO2은 약 0.5의 x 값을 갖는다. 이 경우에, 1 LixCoO2 대 (1-x) LiOH·H2O의 질량비는 약 298.6 밀리그램(mg) 내지 177.46 mg이다.
일부 실시예에서, x 값은 0.5에서 벗어날 수 있다(예를 들어, 배터리가 완전히 순환되지 않음). 그러한 경우에, x 값은 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광법(ICP-AES)과 같은 원소 분석 기술에 의해 결정될 수 있다. (1-x) 몰의 LiOH·H2O의 몰량은 그에 따라 조절될 수 있다.
일부 실시예에서, 고온 가열 동안 리튬 손실을 보상하기 위해 추가량의 LiOH·H2O가 혼합물에 첨가될 수 있다. 일부 실시예에서, LiOH·H2O의 추가량은 원래 양의 약 3% 내지 약 8%(예를 들어, 그 사이의 임의의 값 및 하위 범위를 비롯하여, 약 3%, 약 3.5%, 약 4%, 약 4.5%, 약 5%, 약 6%, 약 7%, 또는 약 8%)일 수 있다.
결과적인 균질한 혼합물은 원통형 펠릿 형태 또는 다른 적절한 콤팩트 형태로 가압될 수 있다. 펠릿 형태는 재리튬화 동안 균일한 처리를 용이하게 할 수 있다. 이어서, 원통형 펠릿(들)은 공기 중에서 상승된 온도로 가열된다. 가열의 상승된 온도는 100℃ 내지 약 1000℃의 어느 것(예를 들어, 그 사이의 임의의 값 및 하위 범위를 비롯하여, 약 100℃, 약 200℃, 약 300℃, 약 400℃, 약 500℃, 약 600℃, 약 700℃, 약 800℃, 약 900℃, 또는 약 1000℃)일 수 있다. 가열 기간은 약 1 시간 내지 약 24 시간(예를 들어, 그 사이의 임의의 값 및 하위 범위를 비롯하여, 약 1 시간, 약 2 시간, 약 3 시간, 약 4 시간, 약 5 시간, 약 10 시간, 약 12 시간, 또는 약 24 시간)일 수 있다. 일부 실시예에서, 결과적인 균질한 혼합물은 콤팩트 형태를 형성하지 않고 직접 소결될 수 있다. 예를 들어, 회전로를 사용하여 균질한 혼합물을 분말 형태로 직접 소결할 수 있다.
일부 실시예에서, 가열에 사용되는 상승된 온도는 캐소드 재료의 소결 온도보다 낮은 500℃와 실질적으로 동일하거나 그보다 낮을 수 있다. 이 온도 범위 내에서 가열하면 에너지를 절약하고 재료 및 탄소 침전물 내의 잔류 유기물의 분해를 완화할 수 있다. 분해는 가열 중에 LiCoO2 결정 내의 균열이 치유되는 것을 방지할 수 있는 가스를 형성할 수 있기 때문에 유해할 수 있다. 부적절한 균열 치유는 입자를 파괴할 수 있으며, 이는 차례로 LiCoO2 입자의 크기를 감소시킬 수 있다. 결과적으로, LiCoO2 입자의 입자 형태는 새로운 배터리를 형성하는 데 사용되는 것과 상이할 수 있다.
가열 단계는 아래의 화학식 (1)에 따른 반응을 유도하고 또한 LiCoO2를 재결정화하도록 진행될 수 있다.
4LixCoO2 + 4(1-x) LiOH·H2O → 4LiCoO2 + 6(1-x)H2O + (1-x)O2 (1)
화학식 (1)로부터의 결과적인 재리튬화된 캐소드 재료는 이어서 오븐에서 제거될 수 있고 캐소드 제조용 원료, 즉 배터리 등급 캐소드 재료로 재사용할 준비가 된다.
도 10a 및 도 10b는 일부 실시예에 따라, 제2 접근법에 따른 재리튬화 방법(1000)을 예시한다. 본 명세서의 방법(1000)에 대한 설명은 단지 예시 목적을 위해 캐소드 재료로서 LiCoO2를 사용한다. 실제로, 본 명세서에 설명된 임의의 다른 캐소드 재료가 또한 방법(1000)을 통해 재리튬화될 수 있다.
방법(1000)은 리튬 부족 캐소드 재료(1011)(예를 들어, 방법(100)의 단계 120, 방법(200)의 단계 230, 방법(600), 또는 방법(700)으로부터 생성됨)로 시작한다. 1010에서, 리튬 부족 캐소드 재료(예를 들어, 분말형 LixCoO2)가 적어도 하나의 리튬 염을 함유하는 캐소드 현탁액(1012)에 배치된다. 여기서 사용될 수 있는 리튬 염의 예는 수성 현탁액으로 현탁되는 리튬 설페이트, 리튬 니트레이트, 및 리튬 클로라이드를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 대안적으로, 유기 용매가 또한 사용될 수 있으며 그러한 유기 용매의 예는 디메틸 카보네이트(DMC) 및 에틸렌 카보네이트(EC)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 캐소드 현탁액(1012)의 농도는 리터(L) 당 약 100 마이크로그램(μg)의 해수 리튬 농도에서 약 1 mol/L의 인공 또는 "순수" 용액까지의 범위일 수 있으며, 이는 리튬 기반 염만이 용액에 있다는 것을 의미한다. 일부 실시예에서, 방법(1000)은 모든 리튬 이온 함유 용액을 이용할 수 있다. 리튬 부족 캐소드 재료는 체적 기준 일대일 비율로 리튬 염 현탁액과 결합될 수 있다.
방법(1000)의 1020에서, LixCoO2/리튬 염 현탁액(1012) 내의 LixCoO2은 도 10b에 예시된 재리튬화 전기 화학적 유동 시스템(1015) 내에서 재리튬화된다. 시스템(1015)은 캐소드 챔버(1022), 애노드 챔버(1040), 및 갈바닉 분리막(1030)을 포함하는 갈바닉 전지를 포함한다. 캐소드 챔버(1022) 및 애노드 챔버(1040)는, 특히 스테인리스강, 유리, 또는 폴리머와 같은 임의의 비반응성 재료로 제조될 수 있다. 캐소드 챔버(1022) 및 애노드 챔버(1040) 각각은 갈바닉 분리막(1030)과 접경하는 개구를 갖는다. 일부 실시예에서, 누설을 방지하기 위해 캐소드 챔버(1022)와 갈바닉 분리막(1030) 사이에 제1 밀봉부(예를 들어, 고무, 실리콘 또는 다른 탄성 재료로 제조됨)가 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 누설을 방지하기 위해 애노드 챔버(1040)와 갈바닉 분리막(1030) 사이에 제2 밀봉부가 배치될 수 있다.
작동 전극(1072)이 캐소드 챔버(1022)에 삽입된다. 일부 실시예에서, 작업 전극(1072)은 니켈 메시로 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 작업 전극(1072)은 탄소 판으로 제조될 수 있다. 상대 전극(1073)은 애노드 챔버(1040)에 삽입된다. 일부 실시예에서, 상대 전극(1073)은 백금(Pt) 메시를 포함할 수 있다. 추가 기준 전극(도 10a 및 도 10b에 도시되지 않음)은 캐소드 챔버(1022) 또는 애노드 챔버(1040)에 삽입될 수 있다. 일부 실시예에서, 기준 전극은 Ag/AgCl로 제조될 수 있다.
정전류 전력 공급원(1070)은 전도체를 통해 작업 전극(1072) 및 상대 전극(1073) 각각에 전기적으로 연결된다. 일부 실시예에서, 작업 전극(1072)은 집전체로서 기능하고, 리튬 부족 캐소드 재료는 반응물로서 기능한다.
애노드 챔버(1040)는 압력 소스(1062) 및 공급 파이프(1064)를 통해 리튬 저장조(1060)로부터 공급되고 이 저장조에 유압식으로 연결된다. 일부 실시예에서, 리튬 저장조(1060)는 애노드 챔버(1040)의 제2 체적보다 큰 제1 체적을 갖는다. 일부 실시예에서, 리튬 저장조(1060)의 총 전하 저장 용량은 애노드 챔버(1040)의 전하 저장 용량보다 적어도 5 배 더 크다. 액체는 복귀 파이프(1066)를 통해 리튬 저장조(1060)로 복귀된다.
일부 실시예에서, 압력 소스(1062)는 원심 분리 펌프와 같은 펌프를 포함한다. 일부 실시예에서, 임의의 다른 적절한 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 리튬 저장조(1060)는 중력에 의해 애노드 챔버(1040)에 공급할 수 있고 압력 소스(1062)는 복귀 파이프(1066)에 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 애노드 챔버(1040) 내의 리튬 염 함유 용액은 현탁액(1012)을 제조하는 데 사용되는 리튬 염 함유 용액과 동일할 수 있다. 이는 리튬 정제 프로세스를 단축하고 고갈된 리튬을 복원/보충하는 비용을 감소시키는 능력을 제공한다. 예를 들어, 애노드 챔버(1040) 내의 리튬 염 함유 용액은 "순수한" 용액일 수 있으며, 이는 용액 내에 리튬 기반 염만이 있다는 것을 의미한다. 다른 예에서, 저장조(1060)는 비-리튬 기반 염을 수용하는 "비순수" 염수 풀일 수 있고, 애노드 챔버(1040) 내의 리튬 염 함유 용액은, 예를 들어 1 내지 2 중량%의 리튬 및 임의의 개수의 다른 구성 요소를 함유하는 염수 풀의 염수일 수 있다.
일부 실시예에서, 저장조(1060)는 해수를 수용할 수 있고, 애노드 챔버(1040) 내의 리튬 염 함유 용액은 또한 리터(L) 당 약 183 마이크로그램(μg)을 함유하는 해수일 수 있다. 또 다른 대안에서, 저장조(1060)는 리튬 함유 폐수를 수용할 수 있다. 또 다른 예에서, 저장조(1060)는 임의의 개수의 리튬 함유 광석, 예를 들어 스포듀민(spodumene), 앰블리고나이트(amblygonite), 레피도라이트(lepidolite), 또는 유크립타이트(eucryptite)를 수용할 수 있고, 알칼리-금속 수산화물(예를 들어, KOH) 용액은 광석 위로 또는 광석을 통해 유동하여 수산화물 용액 침출 효과로 인해 리튬 이온 함유 용액을 초래할 수 있다.
또 다른 예에서, 리튬 저장조(1060)는 지속된 사용으로부터 고갈된 리튬을 재공급하기 위해 재리튬화 전기 화학적 유동 시스템(1015)의 작동 동안 유동하는 자연 발생 물의 소스일 수 있다. 예를 들어, 재리튬화 전기 화학적 유동 시스템의 작동 중에 자연적으로 발생하는 물을 펌핑함으로써 유동이 유발될 수 있다. 다른 예에서, 유동은 강우, 하천 또는 강 흐름, 수중 샘, 조수 유동 또는 파도 작용을 포함되지만 이에 제한되지 않을 수 있는, 자연적으로 발생하는 이벤트로 인해 발생한다. 그리고 또 다른 예에서, 조수 유동 또는 파도 작용은 리튬 저장조(1060)를 채우기 위해 사용될 수 있으며, 그 후 중력 하에서 리튬 염 함유 용액을 애노드 챔버(1040)로 유동시킨다. 리튬 소스에 관계 없이, 저장조(1060)로부터의 리튬의 유동은, 유동이 하천, 해수, 리튬 광석, 또는 순수한 리튬 염이든간에, 애노드 챔버(1040)에 수용된 리튬 염 함유 용액에, 애노드(양) 전극에, 그리고 궁극적으로 작동 중 재리튬화 반응에 리튬을 보충할 수 있다.
갈바닉 분리막(1030)은 리튬 이온이 효과적으로 통과하게 하는 임의의 유형의 갈바닉 분리막을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 갈바닉 분리막(1030)은 세라믹 분리막을 포함한다. 일부 실시예에서, 갈바닉 분리막(1030)은 다공성 폴리머 분리막을 포함한다. 일부 실시예에서, 리튬 염 함유 용액이 순수한 리튬 기반 염 용액인 경우 다공성 폴리머 분리막이 사용될 수 있는 데, 이는 순수한 용액이 일반적으로 다공성 폴리머 분리막을 관통할 수 있는 비-리튬 이온을 함유하지 않기 때문이다. 일부 실시예에서, 리튬 이온에 대해서만 투과성인 이온-선택성 폴리머가 순수한 리튬 염 기반 용액 뿐만 아니라 비순수 용액(예를 들어, 해수, 해수 염수, 및/또는 리튬 광석 기반 용액)에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 세라믹 분리막은 순수한 리튬 염 기반 용액 뿐만 아니라 비순수 용액(예를 들어, 해수, 해수 염수, 및/또는 리튬 광석 기반 용액)에 사용될 수 있다. 적절한 폴리머 분리막의 예는 섬유 종이(예를 들어, 셀룰로오스 기반), 또는 약 0.21 x 0.05 ㎛의 공극 크기 및 약 39%의 공극률을 갖는 삼층 폴리프로필렌-폴리에틸렌-폴리프로필렌 멤브레인을 포함하지만, 이에 제한되지는 않으며, 적절한 세라믹 분리막의 예는 Li1+x+yAlx(Ti, Ge)2-xSiyP3-yO, (Lix, Lay)TiOz, 및 (Lix, Lay)ZrOz을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
작동시, 캐소드 챔버(1022)는 LixCoO2 함유 수성 현탁액(1012)으로 채워진다. 애노드 챔버(1040)는 정적 또는 유동 상태일 수 있는 리튬 염 함유 용액으로 채워진다. 일부 실시예에서, 리튬 염 함유 용액은 정적 상태에 있을 수 있으며, 이에 의해 저장조(1060), 압력 소스(1062), 및 유동 및 복귀 파이프(1064 및 1066) 없이 시스템(1015)의 작동을 허용한다. 애노드 챔버의 리튬 염 함유 용액은 현탁액(1012)을 제조하는 데 사용되는 것과 동일한 리튬 염 함유 용액 또는 상이한 용액일 수 있다.
애노드 전류가 애노드 챔버(1040)에 인가되는데, 즉 정전류 전력은 전자가 화살표(1076) 방향으로 유동하도록 전위를 공급한다. 애노드 챔버(1040)의 전해질(리튬 염 함유 용액)이 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction)(OER)(1078)을 거침에 따라, 캐소드 챔버(1022)의 LixCoO2가 환원되고 리튬 이온(1074)이 LixCoO2에 삽입되어 LiCoO2를 형성한다.
반응의 이론적 메커니즘은 아래의 화학식 2-3에 나타낸다:
LixCoO2 + (1-x)Li+ + (1-x)e- → LiCoO2 (2)
2H2O → O2 + 4H+ + 4e- (3)
작업 전극(1072) 및 상대 전극(1073) 각각의 전위는, 작업 전극(1072)의 전위 대 기준 전극의 전위의 비율이 Ag/AgCl에 비해 약 -0.8 V 내지 약 -1.0 V에 도달할 때까지 기준 전극에 대해 측정된다. 대부분의 리튬 이온 배터리 캐소드 재료의 경우, Ag/AgCl에 비해 -0.8 V 내지-1 V로 방전하면 리튬 함량을 완전히 복원할 수 있다.
재리튬화 전기 화학적 유동 시스템(1015)의 한 가지 이점은 리튬 이온 삽입의 양이 차단 전위에 의해 정확하게 제어될 수 있다는 점이다. 다른 재리튬화 접근법은 통상적으로 첨가할 리튬 함유 재료의 최적의 양을 결정하기 전에 리튬 부족량(즉, LixCoO2의 x 값)의 정량화를 필요로 한다. 이와 달리, 재리튬화 전기 화학적 유동 시스템(1015)은 배터리 캐소드 재료(예를 들어, LixCO2, LixFePO4)에서 특정 리튬 함량 x가 고유한 전극 재료 특성(예를 들어, 개회로 전압, 전도도, 리튬 운반 특성 등)에 해당하기 때문에 x를 정량화하지 않고 전기 화학적 재리튬화 프로세스의 차단 전압을 제어함으로써 x를 1로 완전히 변환할 수 있다.
반응 (2) 내지(3) 후에, LixCoO2는 LiCoO2로 재리튬화된다. 재리튬화된 LiCoO2는 재사용(예를 들어, 새로운 배터리 제조)을 위해 캐소드 챔버(1022)로부터 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, LiCoO2은 물로 추가로 세정되고 재사용 전에 건조될 수 있다. 일부 실시예에서, 재리튬화된 LiCoO2의 형태는 가열 프로세스를 통해 개선될 수 있으며, 그 후에 재리튬화된 LiCoO2은 상업적으로 입수 가능한 LiCoO2와 동일한 결정 구조를 가질 수 있다.
도 11은 일부 실시예에 따른 배터리의 직접 재활용에서 화학적 처리 및 분리 방법(1100)을 예시하는 흐름도이다. 방법(1100)은 1110에서, 배터리로부터 생성된 코어 섹션을 세정하기 위해 혼합 장비(예를 들어, FMD 및/또는 원심 분리기 유형 장비, 예를 들어 배치 원심 분리기 또는 연속 작동식 경사 분리기)에서의 1차 세정 프로세스를 포함한다. 각각의 코어 섹션은 도 1을 참조하여 설명된 방법(100)의 코어 섹션과 실질적으로 유사할 수 있다. 예를 들어, 각각의 코어 섹션은 적어도 하나의 애노드/캐소드/분리막 조립체를 포함할 수 있다. 이 단계에서, 전해질(예를 들어, EC, DMC 및 PC) 및 바인더(예를 들어, PVDF 및 CMC)와 같은 유기 구성요소의 일부 또는 전부, 및 염(예를 들어, LiPF6)이 세정 용매(예를 들어, NMP, DMF, DMSO 또는 DMAc)에 용해된다. 용해된 구성요소(예를 들어, 용매, 전해질, 염, 및 바인더)는 변형, 여과, 원심 분리, 경사 분리, 용매 헹굼, 가열, 공기 건조, 진공 건조, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 분리 방법을 통해 고체 구성요소(예를 들어, 애노드 및 캐소드 재료, 분리막, 집전체, 및 배터리 케이스)로부터 분리된다. 일부 실시예에서, 전해질 또는 바인더와 같은 일부 유기 구성요소는 고체 구성요소와 혼합된 상태로 남아있을 수 있다.
일부 실시예에서, 방법(1100)은 또한 1120에서, 1110에서의 세정 프로세스를 빠져나가는 고체 구성요소에 남아있는 유기 구성요소의 일부 또는 전부를 제거하거나 분해하는 열처리 프로세스를 포함한다. 일부 실시예에서, 열처리 프로세스는 또한 분리막 피스 및/또는 배터리 패키징 피스를 제거하거나 분해한다. 일부 실시예에서, 고체 구성요소는 적어도 섭씨 100도로 가열된다. 일부 실시예에서, 고체 구성요소는 섭씨 200, 300, 400, 500, 600, 700 또는 800도로 가열된다. 다른 실시예에서, 고체 구성요소는 섭씨 800도 초과로 가열된다. 일부 실시예에서, 고체 구성요소는 공기, 산소 가스, 질소 가스와 혼합된 산소 가스, 또는 다른 조합과 같은 산화 분위기에서 가열된다. 다른 실시예에서, 고체 구성요소는 수소 가스, 수증기와 혼합된 수소 가스, 질소 가스와 혼합된 수소 가스, 일산화탄소 가스, 이산화탄소와 혼합된 일산화탄소 가스, 또는 다른 조합과 같은 환원 분위기에서 가열된다. 또 다른 실시예에서, 고체 구성요소는 질소 가스, 아르곤 가스, 또는 다른 조합과 같은 불활성 분위기에서 가열된다.
방법(1100)은 또한 1130에서, 나머지 고체 구성요소로부터 애노드 및 캐소드 재료의 혼합물을 추출하도록 구성된 분리 프로세스를 포함한다. 분리는, 예를 들어 초음파 세정 용매(예를 들어, NMP, DMF, DMSO, DMAc, 에탄올, 프로판올 또는 물, 또는 산성 물 또는 알칼리성 물)에서 초음파 세정을 통해 수행될 수 있다. 이 단계에서, 고체 구성요소는 캐소드/애노드 재료(보통, 입자 형태), 분리막 피스, 집전체 피스, 및/또는 배터리 패키징 피스를 비롯하여 개별 구성요소로 분리된다. 일부 실시예에서, 애노드 및 캐소드 재료의 혼합물로부터 더 큰 분리막 피스, 집전체 피스, 및/또는 배터리 패키징 피스를 분리하기 위해 적어도 하나의 여과 시스템이 사용된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 여과 시스템은 입자의 응집을 분쇄하기 위해 별도의 초음파 변환기를 포함한다. 애노드와 캐소드 재료의 혼합물은 추가 분리 및/또는 재리튬화를 위해 전달되고, 나머지 구성요소는 폐기되거나 추가 분리를 받을 수 있다.
1140에서, 1차 세정(1110)으로부터의 유출물의 구성요소는 각각의 비등점에 따라 분리된다(예를 들어, 증류 컬럼을 사용하여). 유출물이 증류 컬럼을 통해 아래로 이동함에 따라, 구성요소가 증발되고 이어서 적절한 응축 온도로 작동하는 하나 이상의 응축기에 의해 (1150에서) 응축된다. 응축기는 전해질 용매(예를 들어, DMC)를 추출하도록 구성되며, 전해질 용매는 이어서 외부 용매 회수 회사로 전달하기 위해 포집된다. 적어도 하나의 응축기가 용매 회수 시스템 내에 통합되고 적절한 온도로 작동하여 1170에서 용매 회수를 달성하기 위해 증류 컬럼을 빠져나가는 세정 용매 증기를 응축한다. 이 응축기로부터의 응축된 세정 용매는 다른 작업(예를 들어, 건조)으로부터 회수된 용매와 결합되어, 1차 세정 프로세스(1110)로 복귀된다. 증류 컬럼의 바닥으로부터(예를 들어, 1140 이후)의 액체 유출물은 증발기에서 (1160에서) 증발되고 결과적인 증기는 증류 컬럼을 통해 위로 이동하여 컬럼을 가열하고 증기를 각각의 응축기에 제공한다. 고체(예를 들어, LiPF6, PVDF 및 CMC)와 함께 비등점이 높은 용매(예를 들어, EC 및 PC)는 폐수 스트림에서 증발기로부터 방출된다.
결론
다양한 본 발명의 실시예가 본 명세서에 설명되고 예시되었지만, 본 기술 분야의 숙련자는 기능을 수행하고 및/또는 본 명세서에 설명된 결과 및/또는 하나 이상의 이점을 얻기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 쉽게 구상할 것이고, 그러한 각각의 변형 및/또는 수정은 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예의 범위 내에 있는 것으로 고려된다. 보다 일반적으로, 본 기술 분야의 숙련자는 본 명세서에 설명된 모든 파라미터, 치수, 재료, 및 구성이 예시적인 것으로 의도되며 실제 파라미터, 치수, 재료, 및/또는 구성은 특정 용례 또는 본 발명의 교시가 사용되는 용례에 따라 달라진다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 본 기술 분야의 숙련자는 단지 일상적인 실험을 사용하여 본 명세서에 설명된 특정한 본 발명의 실시예에 대한 많은 균등물을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 실시예는 단지 예로서 제시된 것이며, 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범위 내에서, 본 발명의 실시예는 구체적으로 설명되고 청구된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 개시내용의 창의적인 실시예는 본 명세서에 설명된 각각의 개별적인 피처, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 그러한 피처, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법이 서로 일치하지 않는 경우, 그러한 2개 이상의 피처, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법의 임의의 조합이 본 개시내용의 발명의 범위 내에 포함된다.
실시예는 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 소프트웨어 코드는 단일 컴퓨터에서 제공되든 다수의 컴퓨터에 분산되든 간에 임의의 적절한 프로세서 또는 프로세서 집합체에서 실행될 수 있다. 또한, 컴퓨터는 랙 장착형 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 또는 태블릿 컴퓨터와 같은 다수의 형태 중 임의의 형태로 구현될 수 있음을 인식해야 한다. 추가로, 컴퓨터는, 개인 휴대 정보 단말기(Personal Digital Assistant)(PDA), 스마트 폰 또는 임의의 다른 적절한 휴대용 또는 고정식 전자 디바이스를 비롯하여, 일반적으로 컴퓨터로 고려되지 않지만 적절한 처리 능력을 갖춘 디바이스에 내장될 수 있다.
또한, 컴퓨터에는 하나 이상의 입력 및 출력 디바이스가 있을 수 있다. 이들 디바이스는 무엇보다도 사용자 인터페이스를 제공하는 데 사용될 수 있다. 사용자 인터페이스를 제공하는 데 사용될 수 있는 출력 디바이스의 예는 출력의 시각적 표현을 위한 프린터 또는 디스플레이 화면과 출력의 청각적 표현을 위한 스피커 또는 기타 사운드 생성 디바이스를 포함한다. 사용자 인터페이스를 위해 사용될 수 있는 입력 디바이스의 예는 키보드, 및 포인팅 디바이스, 예를 들어 마우스, 터치 패드, 및 디지털 태블릿을 포함한다. 다른 예로서, 컴퓨터는 음성 인식을 통해 또는 다른 청각적 형식으로 입력 정보를 수신할 수 있다.
그러한 컴퓨터는 근거리 네트워크 또는 광역 네트워크, 예를 들어 엔터프라이즈 네트워크, 및 지능형 네트워크(intelligent network)(IN) 또는 인터넷을 비롯하여, 임의의 적절한 형태의 하나 이상의 네트워크에 의해 상호 연결될 수 있다. 그러한 네트워크는 임의의 적절한 기술에 기초할 수 있고 임의의 적절한 프로토콜에 따라 작동할 수 있으며 무선 네트워크, 유선 네트워크, 또는 광섬유 네트워크를 포함할 수 있다.
여기에 개설된 다양한 방법 또는 프로세스(예를 들어, 위에 개시된 보유/전달 구조를 설계하고 만드는)는 다양한 운영 체제 또는 플랫폼 중 임의의 하나를 사용하는 하나 이상의 프로세서에서 실행 가능한 소프트웨어로서 코딩될 수 있다. 추가로, 그러한 소프트웨어는 다수의 적절한 프로그래밍 언어 및/또는 프로그래밍 또는 스크립팅 도구 중 임의의 것을 사용하여 기입될 수 있으며, 또한 실행 가능한 기계 언어 코드 또는 프레임워크 또는 가상 기계에서 실행되는 중간 코드로서 컴파일될 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 개념은 하나 이상의 방법으로 구현될 수 있으며, 그 중 일례가 제시되었다. 방법의 일부로 수행되는 동작은 임의의 적절한 방식으로 정렬될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에서 순차적인 동작으로 도시되었더라도, 일부 동작을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 예시된 것과 상이한 순서로 동작이 수행되는 실시예가 구성될 수 있다.
본 명세서에 언급된 모든 간행물, 특허 출원, 특허 및 기타 참고 문헌은 그 전체가 참조로 포함된다.
본 명세서에서 정의되고 사용된 모든 정의는 사전 정의, 참조로 포함된 문서의 정의, 및/또는 정의된 용어의 일반적인 의미를 제어하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 및 청구범위에서 본 명세서에 사용된 부정 관사 "a" 및 "an"은 반대로 명확하게 지시되지 않는 한 "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 및 청구범위에서 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 문구는 이렇게 결합된 요소의 "하나 또는 둘 모두", 즉 일부 경우에 결합하여 존재하고 다른 경우에는 분리하여 존재하는 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"으로 나열된 다수의 요소는 동일한 방식으로, 즉 이렇게 결합된 요소 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. 구체적으로 식별된 요소와 관련되든 아니든간에, "및/또는" 절에 의해 구체적으로 식별된 요소 이외의 다른 요소가 임의로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때, "A 및/또는 B"에 대한 언급은 일 실시예에서 A만을 지칭할 수 있고(임의로, B 이외의 요소를 포함); 다른 실시예에서, B만을 지칭할 수 있으며(임의로, A 이외의 요소를 포함); 또 다른 실시예에서, A 및 B 모두를 지칭할 수 있고(임의로, 다른 요소를 포함); 기타등등이다.
명세서 및 청구범위에서 본 명세서에 사용된 바와 같이, "또는"은 앞서 정의된 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록에서 항목을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것으로, 즉 요소의 개수 또는 목록 중 적어도 하나를 포함하지만 또한 둘 이상을 포함하고, 임의로 나열되지 않은 추가 항목을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "~ 중 하나만" 또는 "~ 중 정확히 하나", 또는 청구범위에서 사용되는 경우 "~로 구성되는"과 같이 반대로 명확하게 지시되는 용어만이 다수의 또는 목록의 요소들 중 정확히 하나의 요소를 포함하는 것을 가리킨다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 용어 "또는"은, "둘 중 하나", "~중 하나", "~중 단하나" 또는 "~ 중 정확히 하나"와 같은 배타성 용어가 선행될 때 배타적 대안(즉, "둘 모두가 아닌 하나 또는 다른 하나")을 나타내는 것으로 해석되어야 한다. 청구범위에서 사용될 때 "~로 본질적으로 구성되는"은 특허법 분야에서 사용되는 일반적인 의미를 갖는다.
명세서 및 청구범위에서 본 명세서에 사용될 때, 하나 이상의 요소의 목록과 관련하여 "적어도 하나"라는 문구는 요소 목록 중 임의의 하나 이상의 요소로부터 선택되지만, 요소 목록 내에 구체적으로 나열된 각각 및 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하지 않고 요소 목록 중 임의의 요소 조합을 배제하지 않는 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이 정의는 또한 구체적으로 식별된 요소와 관련되든 아니든간에 "적어도 하나"라는 문구가 참조하는 요소 목록 내에서 구체적으로 식별된 요소 이외의 요소가 임의로 존재할 수 있다는 것을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는 동등하게 "A 또는 B 중 적어도 하나" 또는 동등하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 일 실시예에서, B가 존재하지 않는 상태(임의로 B 이외의 요소를 포함)에서, 적어도 하나(임의로 둘 이상을 포함)의 A를 지칭할 수 있고; 다른 실시예에서, A가 존재하지 않는 상태(임의로 A 이외의 요소를 포함)에서, 적어도 하나(임의로 둘 이상을 포함)의 B를 지칭할 수 있으며; 또 다른 실시예에서, 적어도 하나(임의로 둘 이상을 포함)의 A, 및 적어도 하나(임의로 둘 이상을 포함)의 B(임의로 다른 요소를 포함)를 지칭할 수 있고; 기타등등이다.
청구범위 및 상기 명세서에서, "구비하는", "포함하는", "갖춘", "갖는", "수용하는", "수반하는", "유지하는", "~구성되는" 등과 같은 모든 전이 문구는 개방형, 즉 포함하지만 이에 제한되지 않는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "~구성되는" 및 "~로 본질적으로 구성되는"이라는 전이 문구만이 미국 특허청 특허 심사 절차 매뉴얼, 섹션 2111.03에 명시된 바와 같이, 각각 폐쇄형 또는 반폐쇄형 전이 문구가 된다.

Claims (45)

  1. 방법으로서,
    적어도 하나의 배터리를 복수의 코어 섹션으로 처리하는 단계로서, 복수의 코어 섹션의 각각의 코어 섹션은 애노드 섹션, 캐소드 재료를 포함하는 캐소드 섹션, 애노드 섹션과 캐소드 섹션 사이에 배치된 분리막 섹션, 및 전해질을 포함하는, 단계; 및
    복수의 코어 섹션을 용매에 배치하여 복수의 코어 섹션으로부터 캐소드 재료의 혼합물을 생성하는 단계를 포함하고, 용매와 전해질은 이온 전도성 매질을 형성하며, 캐소드 재료의 혼합물은 캐소드 재료에서 활성 원소의 실질적으로 균질한 분포를 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 배터리는 리튬 이온 배터리를 포함하고, 캐소드 재료는 LiCoO2, LiMn2O4, LiFetM1-tPO4 (LFMP), 또는 LiNiaMnbCocAdO2 중 적어도 하나를 포함하고, 여기서 a + b + c + d = 1, A = Al, Zr 또는 Mg인, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 복수의 코어 섹션을 용매에 배치하는 단계는 복수의 코어 섹션을 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸 설폭사이드(DMSO), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 또는 디메틸아세트아미드(DMAc) 중 적어도 하나에 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 배터리는 제1 충전 상태의 제1 배터리 및 제1 충전 상태와 상이한 제2 충전 상태의 제2 배터리를 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 이온 전도성 매질은 복수의 코어 섹션 중 적어도 하나의 애노드 섹션으로부터의 전도성 탄소를 더 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 전도성 탄소를 용매에 첨가하여 이온 전도성 매질의 전자 전도도를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 캐소드 재료의 혼합물은 전기 화학적 프로세스 없이 생성되는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 캐소드 재료의 혼합물은 캐소드 재료에서 활성 원소의 리튬 부족 화합물을 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 각각의 코어 섹션 중 애노드 섹션은 애노드 재료를 포함하고, 캐소드 재료의 혼합물은 복수의 코어 섹션으로부터의 애노드 재료를 더 포함하며, 방법은,
    캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물로부터 캐소드 재료를 추출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 캐소드 재료를 추출하는 단계는 밀도 기반 분리 프로세스를 통해 애노드 재료로부터 캐소드 재료를 분리하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 캐소드 재료를 추출하는 단계는 소수성 기반 분리 프로세스를 통해 애노드 재료로부터 캐소드 재료를 분리하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 캐소드 재료를 추출하는 단계는 캐소드 재료의 입자 크기에 기초하여 여과 분리 프로세스를 통해 캐소드 재료를 분리하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제9항에 있어서, 캐소드 재료를 추출하는 단계는 와전류 분리 프로세스를 통해 캐소드 재료를 분리하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제9항에 있어서, 캐소드 재료를 추출하는 단계는 열처리 프로세스를 통해 캐소드 재료를 분리하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제1항에 있어서, 캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물로부터 추출된 캐소드 재료를 재리튬화하여 배터리 등급 캐소드 재료를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  16. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 배터리를 복수의 코어 섹션으로 처리하기 전에 적어도 하나의 배터리를 비활성화하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 적어도 하나의 배터리를 비활성화하는 단계는 적어도 하나의 배터리를 전도성 분말과 접촉시켜 적어도 하나의 배터리를 방전시키는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 전도성 분말은 금속, 탄소 또는 전도성 산화물 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  19. 제16항에 있어서, 적어도 하나의 배터리를 비활성화시키는 단계는 적어도 하나의 배터리를 전도성 유체와 접촉시키는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 배터리의 방전 상태를 추정하기 위해 적어도 하나의 배터리를 비활성화한 후에 전도성 바늘을 사용하여 적어도 하나의 배터리를 관통하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  21. 제1항에 있어서, 캐소드 재료의 혼합물의 생성을 용이하게 하기 위해 용매에 초음파를 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  22. 제1항에 있어서,
    복수의 코어 섹션을 적어도 섭씨 400도로 건조 및 가열하여 캐소드 재료의 혼합물의 생성을 용이하게 하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  23. 제1항에 있어서,
    복수의 코어 섹션을 제2 용매로 전달하여 캐소드 재료의 혼합물의 생성을 용이하게 하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    초음파를 제2 용매에 전달하여 캐소드 재료의 혼합물의 생성을 용이하게 하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  25. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 배터리는 복수의 배터리를 포함하고, 방법은,
    복수의 배터리를 제1 캐소드 재료를 갖는 제1 그룹의 배터리 및 제2 캐소드 재료를 갖는 제2 그룹의 배터리로 분류하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  26. 제25항에 있어서, 복수의 배터리를 분류하는 단계는 X-선 형광을 사용하여 복수의 배터리를 분류하는 단계를 포함하는, 방법.
  27. 시스템으로서,
    적어도 하나의 배터리를 복수의 코어 섹션으로 처리하도록 구성된 제1 디바이스로서, 복수의 코어 섹션의 각각의 코어 섹션은 애노드 섹션, 캐소드 재료를 포함하는 캐소드 섹션, 애노드 섹션과 캐소드 섹션 사이에 배치된 분리막 섹션; 및 전해질을 포함하는, 제1 디바이스; 및
    복수의 코어 섹션을 수용하고 복수의 코어 섹션으로부터 캐소드 재료의 혼합물을 생성하기 위해 복수의 코어 섹션을 용해시키도록 구성된 제2 디바이스를 포함하고, 용매와 전해질은 이온 전도성 매질을 형성하며, 캐소드 재료의 혼합물은 캐소드 재료에서 활성 원소의 실질적으로 균질한 분포를 특징으로 하는, 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 제1 디바이스는 리튬 이온 배터리를 처리하도록 구성되고, 캐소드 재료는 LiCoO2, LiMn2O4, LiFetM1-tPO4 (LFMP), 또는 LiNiaMnbCocAdO2 중 적어도 하나를 포함하고, 여기서 a + b + c + d = 1, A = Al, Zr 또는 Mg인, 시스템.
  29. 제27항에 있어서, 제2 디바이스는 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸 설폭사이드(DMSO), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 또는 디메틸아세트아미드(DMAc) 중 적어도 하나를 유지하도록 구성되는, 시스템.
  30. 제27항에 있어서, 제2 디바이스는 전기 화학적 프로세스 없이 캐소드 재료의 혼합물을 생성하도록 구성되는, 시스템.
  31. 제27항에 있어서, 제2 디바이스는 캐소드 재료에서 활성 원소의 리튬 부족 화합물을 포함하는 캐소드 재료의 혼합물을 생성하도록 구성되는, 시스템.
  32. 제27항에 있어서, 제2 디바이스는,
    초음파를 용매에 전달하여 캐소드 재료의 혼합물의 생성을 용이하게 하도록 구성된 초음파 변환기를 더 포함하는, 시스템.
  33. 제27항에 있어서, 캐소드 재료의 혼합물의 생성을 용이하게 하기 위해 복수의 코어 섹션을 가열하도록 구성된 제3 디바이스를 더 포함하는, 시스템.
  34. 제27항에 있어서,
    복수의 코어 섹션을 수용하도록 구성된 제4 디바이스를 더 포함하고, 제4 디바이스는 용매 및 초음파를 용매에 전달하여 캐소드 재료의 혼합물의 생성을 용이하게 하도록 구성된 초음파 변환기를 포함하는, 시스템.
  35. 제27항에 있어서, 각각의 코어 섹션 중 애노드 섹션은 애노드 재료를 포함하고, 캐소드 재료의 혼합물은 복수의 코어 섹션으로부터의 애노드 재료를 더 포함하며, 시스템은,
    캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물로부터 캐소드 재료를 추출하도록 구성된 제3 디바이스를 더 포함하는, 시스템.
  36. 제35항에 있어서, 제3 디바이스는 밀도 기반 분리 프로세스를 수행하여 캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물로부터 캐소드 재료를 추출하도록 구성되는, 시스템.
  37. 제35항에 있어서, 제3 디바이스는 소수성 기반 분리 프로세스를 수행하여 캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물로부터 캐소드 재료를 추출하도록 구성되는, 시스템.
  38. 제35항에 있어서, 제3 디바이스는 여과 분리 프로세스를 수행하여 캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물로부터 캐소드 재료를 추출하도록 구성되는, 시스템.
  39. 제35항에 있어서, 제3 디바이스는 와전류 분리 프로세스를 수행하여 캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물로부터 캐소드 재료를 추출하도록 구성되는, 시스템.
  40. 제27항에 있어서, 캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물로부터 추출된 캐소드 재료를 재리튬화하여 배터리 등급 캐소드 재료를 생성하도록 구성된 제4 디바이스를 더 포함하는, 시스템.
  41. 제27항에 있어서, 제1 디바이스가 적어도 하나의 배터리를 복수의 코어 섹션으로 처리하도록 구성되기 전에 적어도 하나의 배터리를 비활성화하도록 구성된 방전기를 더 포함하는, 시스템.
  42. 제27항에 있어서, 방전기는 적어도 하나의 배터리를 수용하고 적어도 하나의 배터리를 방전시키기 위한 전도성 분말을 포함하는, 시스템.
  43. 제27항에 있어서, 전도성 분말은 금속, 탄소, 전도성 산화물, 또는 유체 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
  44. 제27항에 있어서, 적어도 하나의 배터리의 방전 상태를 추정하기 위해 적어도 하나의 배터리를 비활성화한 후에 적어도 하나의 배터리를 관통하도록 구성된 전도성 바늘을 더 포함하는, 시스템.
  45. 적어도 하나의 배터리를 재활용하는 방법으로서,
    복수의 리튬 이온 배터리를 복수의 코어 섹션으로 절단하는 단계로서, 복수의 리튬 이온 배터리 중 제1 리튬 이온 배터리는 제1 충전 상태를 갖고 복수의 리튬 이온 배터리 중 제2 리튬 이온 배터리는 제1 충전 상태와는 상이한 제2 충전 상태를 가지며, 복수의 코어 섹션의 각각의 코어 섹션은 애노드 재료를 포함하는 애노드 섹션, 캐소드 재료를 포함하는 캐소드 섹션, 애노드 섹션과 캐소드 섹션 사이에 배치된 분리막 섹션, 및 전해질을 포함하는, 단계;
    복수의 코어 섹션을 용매에 배치하여 복수의 코어 섹션으로부터 캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물을 생성하는 단계로서, 용매와 전해질은 이온 전도성 매질을 형성하고, 캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물은 캐소드 재료에 활성 원소의 비화학량론적 화합물을 포함하고 캐소드 재료에서 활성 원소의 실질적으로 균질한 분포를 특징으로 하는, 단계;
    캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물로부터 캐소드 재료를 추출하는 단계; 및
    캐소드 재료와 애노드 재료의 혼합물로부터 추출된 캐소드 재료를 재리튬화하여 배터리 등급 캐소드 재료를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
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