KR20220170745A - System for Recovering Valuable Metals from Wasted Batteries - Google Patents

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KR20220170745A
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Abstract

The present invention relates to a method for recovering valuable metals from waste lithium ion batteries, including a step of heat-treating waste lithium ion batteries under a mixed reducing gas atmosphere of carbon dioxide (CO_2) and carbon monoxide (CO) in which log (P_CO_2/P_CO), which is the logarithm of a value obtained by calculating the partial pressure of carbon dioxide as the partial pressure of carbon monoxide, has a value within the range of -2.15 or more and 2.5 or less.

Description

폐전지로부터 유가금속을 회수하는 시스템 {System for Recovering Valuable Metals from Wasted Batteries}System for recovering valuable metals from waste batteries {System for Recovering Valuable Metals from Wasted Batteries}

본 발명은 폐전지로부터 유가금속을 회수하는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for recovering valuable metals from waste batteries.

리튬 이온 이차 전지는 에너지밀도가 높고, 자가방전효과가 적어 휴대용 전자기기 등에 많이 사용되고 있으며, 특히 전기자동차 (EV, HEV, PHEV)의 보급률이 증가하고 신재생 에너지 산업의 확장에 따라 리튬 이온 이차 전지의 사용은 더욱 가속화 될 전망이다. 이처럼 리튬 이온 이차 전지의 사용이 가속화 될수록 폐배터리 발생량 또한 늘어날 전망이며, 2040년 이전엔 약 570만개의 전기자동차용 폐배터리가 발생할 예정이다. Lithium-ion secondary batteries are widely used in portable electronic devices due to their high energy density and low self-discharge effect. use is expected to accelerate further. As the use of lithium-ion secondary batteries accelerates, the amount of waste batteries is expected to increase, and about 5.7 million waste batteries for electric vehicles are expected to be generated before 2040.

리튬 이차전지의 양극은 양극 집전체의 표면에 형성된 양극 활물질층을 포함하며, 상기 양극 활물질은 리튬과 함께, 니켈, 코발트, 망간 등을 비롯한 전이금속을 포함하는데, 상기 니켈 및 코발트는 비교적 고가의 금속이며, 특히 코발트는 생산국의 수가 한정되어 있어, 세계적으로 그 수급이 불안정한 금속으로 알려져 있다. 따라서, 폐전지, 특히 폐양극으로부터 양극 활물질에 포함되는 유가 금속을 회수하여 원료로서 재활용할 경우, 가격 경쟁력을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 부가 수익의 창출이 가능하다. 최근에는 폐전지로부터 유가 금속을 회수하여 재활용하는 방법에 대한 연구들이 시도되고 있다.The positive electrode of a lithium secondary battery includes a positive electrode active material layer formed on the surface of a positive electrode current collector, and the positive electrode active material includes lithium and a transition metal including nickel, cobalt, manganese, and the like. The nickel and cobalt are relatively expensive. It is a metal, and in particular, cobalt is known as a metal whose supply and demand is unstable worldwide because the number of producing countries is limited. Therefore, when valuable metals included in cathode active materials are recovered from waste batteries, particularly waste cathodes, and recycled as raw materials, price competitiveness can be secured and additional profits can be created. Recently, studies on methods for recovering and recycling valuable metals from waste batteries have been attempted.

현행 배터리 재활용 기술은 다량의 산(acid)을 사용하여 유가금속을 회수하는 습식법과 고온에서 배터리를 용융하여 유가금속을 회수하는 건식법이 있으나, 습식법의 경우 재활용 공정 중 많은 물이 사용되며, 산 폐액 처리공정의 복잡성과 대용량 처리가 불가능하다는 단점을 지닌다. 건식법의 경우에는 공정 중 무분별한 지구온난화 가스(CO2)의 배출과 다량의 공정 부산물이 발생하며, 부수적인 처리공정이 필요하다는 단점을 지닌다.Current battery recycling technologies include a wet method that uses a large amount of acid to recover valuable metals and a dry method that melts batteries at high temperatures to recover valuable metals. It has the disadvantage of the complexity of the treatment process and the inability to process large quantities. In the case of the dry method, indiscriminate emission of global warming gas (CO 2 ) is generated during the process, a large amount of process by-products are generated, and an additional treatment process is required.

국내·외적인 폐배터리 발생량을 고려해 보면 이러한 장기적인 산업은 우리나라뿐만 아니라, 전 세계적인 환경 오염을 초래할 수 있으므로 친환경/고효율의 기술개발이 이루어져야 한다.Considering the amount of waste batteries generated at home and abroad, these long-term industries can cause environmental pollution not only in Korea but also worldwide, so eco-friendly/high-efficiency technologies must be developed.

본 발명은 건식법을 활용하여 폐리튬 이온 전지로부터 유가 금속을 회수하는 방법에 있어서, 유가 금속을 회수하는데 불필요한 에너지 소모를 비롯한 전지 내의 음극재인 그라파이트의 산화로 인해 무분별한 지구온난화 가스(CO2)의 배출을 초래하는 기존의 건식법의 문제를 해결하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다The present invention is a method for recovering valuable metals from waste lithium ion batteries using a dry method, which prevents unnecessary energy consumption in recovering valuable metals and indiscriminate emission of global warming gas (CO2) due to oxidation of graphite, an anode material in the battery. It aims to provide a method to solve the problems of the existing dry method caused by

일 측면에 따른 폐리튬 이온 전지로부터 유가금속을 회수하는 방법은 하기 수학식 1의 분압비를 만족하는 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)의 혼합 환원 가스 분위기를 조성하는 단계; 및 상기 혼합환원 가스 분위기 하에서 폐리튬 이온 전지를 열처리하는 단계를 포함한다.A method for recovering valuable metals from a waste lithium ion battery according to one aspect includes creating a mixed reducing gas atmosphere of carbon dioxide (CO 2 ) and carbon monoxide (CO) that satisfies the partial pressure ratio of Equation 1 below; and heat-treating the waste lithium ion battery in the mixed reducing gas atmosphere.

[수학식 1][Equation 1]

-2.15 ≤ log(PCO2/PCO) ≤ 2.5-2.15 ≤ log(P CO2 /P CO ) ≤ 2.5

이때, PCO2 는 이산화탄소의 분압값이고, PCO 는 일산화탄소의 분압값이다.At this time, P CO2 is the partial pressure value of carbon dioxide, and P CO is the partial pressure value of carbon monoxide.

상기 유가 금속은 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 및 리튬(Li)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.The valuable metal may be at least one selected from the group consisting of cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and lithium (Li).

상기 열처리 단계에서 열처리 온도가 높아짐에 따라 상기 log(PCO2/PCO) 가 작아지도록 조정할 수 있다.In the heat treatment step, as the heat treatment temperature increases, the log(P CO 2 /P CO ) may be adjusted to decrease.

상기 열처리 온도가 500℃ 이상 600℃ 이하, 600℃ 초과 내지 700℃ 이하, 700℃ 초과 내지 800℃ 이하, 800℃ 초과 내지 900℃ 이하, 또는 900℃ 초과 내지 1,000℃ 이하일 경우, log(PCO2/PCO)를 각각, 0.45 이상 2.50 이하, -0.20 이상 2.15 이하, -0.90 이상 1.85 이하, -1.55 이상 1.60 이하, 또는 -2.15 이상 1.40 이하의 범위 내의 값이 되도록 조정할 수 있다.When the heat treatment temperature is greater than 500 ° C and less than 600 ° C, greater than 600 ° C and less than 700 ° C, greater than 700 ° C and less than 800 ° C, greater than 800 ° C and less than 900 ° C, or greater than 900 ° C and less than 1,000 ° C, log (P CO2 / P CO ) can be adjusted to a value within the range of 0.45 or more and 2.50 or less, -0.20 or more and 2.15 or less, -0.90 or more and 1.85 or less, -1.55 or more and 1.60 or less, or -2.15 or more and 1.40 or less.

상기 폐리튬 이온 전지가 리튬니켈코발트망간 산화물 또는 리튬코발트산화물을 양극 활물질로 포함하는 전지일 수 있다.The waste lithium ion battery may be a battery including lithium nickel cobalt manganese oxide or lithium cobalt oxide as a cathode active material.

상기 열처리가 650 내지 850℃ 사이의 온도에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed at a temperature between 650 and 850 °C.

상기 열처리 온도에서, log(PCO2/PCO)가 -1.20 이상 2.00 이하의 범위 내의 값이 되도록 조정된 이산화탄소와 일산화탄소의 혼합 환원 가스 분위기 하에서 수행될 수 있다.At the heat treatment temperature, log(P CO 2 /P CO ) may be performed under a mixed reducing gas atmosphere of carbon dioxide and carbon monoxide adjusted to a value within the range of -1.20 or more and 2.00 or less.

상기 열처리에 의해 Co, Ni, Mn, CoO, NiO, MnO, Li2CO3, 및 LiAlO2 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 회수체가 수득될 수 있다.By the heat treatment, a recovered material containing at least one selected from the group consisting of Co, Ni, Mn, CoO, NiO, MnO, Li 2 CO 3 , and LiAlO 2 may be obtained.

상기 열처리하여 수득한 회수체를 700℃ 이상에서 산소(O2) 또는 이산화탄소(CO2)의 분위기 하에서 열처리하는 추가 열처리 단계를 추가로 포함할 수 있다.An additional heat treatment step of heat-treating the recovered product obtained by the heat treatment in an atmosphere of oxygen (O 2 ) or carbon dioxide (CO 2 ) at 700° C. or higher may be further included.

상기 추가 열처리 단계에서 CO 가스가 발생하고 상기 CO 가스를 전술한 열처리 단계의 혼합 환원 가스로 공급하여 log(PCO2/PCO)를 조정할 수 있다.CO gas is generated in the additional heat treatment step, and log(P CO 2 /P CO ) may be adjusted by supplying the CO gas as a mixed reducing gas in the heat treatment step.

상기 열처리하여 수득한 회수체로부터 유가금속 함유물을 분리하는 분리 단계를 추가로 포함하고, 상기 분리는 분급(sieving)에 의한 분리 공정, 자성에 의한 분리 공정, 및 산 또는 물을 사용한 침출에 의한 분리 공정으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 분리 공정을 포함할 수 있다.A separation step of separating valuable metal-containing materials from the recovered material obtained by the heat treatment is further included, and the separation is performed by a separation process by sieving, a separation process by magnetism, and leaching using acid or water. It may include one or more separation processes selected from the group consisting of separation processes.

상기 추가 열처리 단계에서 CO 가스가 발생하고 상기 CO 가스의 산화에 의한 발열 반응으로 발생한 열을 전술한 열처리 단계 또는 상기 열처리 단계 이후에 수행되는 유가금속 분리 단계에서 열원으로 제공할 수 있다.CO gas is generated in the additional heat treatment step, and heat generated by an exothermic reaction by oxidation of the CO gas may be used as a heat source in the heat treatment step or the valuable metal separation step performed after the heat treatment step.

본 발명에 따르면 폐리튬 이온 전지로부터 유가금속을 효율적으로 회수할 수 있다. 특히, 폐 리튬 이온 전지 내의 음극재(Graphite)는 재활용 공정 중 환원재로 작용하여 MeO 계통의 유가금속 산화물을 환원시켜 지구온난화가스(CO2)를 발생시키는데, 본 발명에 따르면 열처리 공정 중 분위기 가스 제어를 통해 지구온난화가스의 배출을 최소화할 수 있다.According to the present invention, valuable metals can be efficiently recovered from waste lithium ion batteries. In particular, the anode material (Graphite) in the waste lithium ion battery acts as a reducing material during the recycling process to reduce MeO-based valuable metal oxides to generate global warming gas (CO 2 ). According to the present invention, atmospheric gas during the heat treatment process Through control, the emission of global warming gas can be minimized.

도 1은 실시예에 따라 리튬이온 이차전지로부터 유가금속을 회수한 이미지이다.1 is an image of recovering valuable metals from a lithium ion secondary battery according to an embodiment.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.

본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것이 아니다.In this specification, terms such as "comprise", "comprise" or "having" are intended to indicate that there is an embodied feature, number, step, component, or combination thereof, and that one or more other features or The presence or addition of numbers, steps, components, or combinations thereof is not excluded.

본 발명에 따라 폐리튬 이온 전지로부터 유가금속을 회수하는 방법은 하기 수학식 1의 분압비를 만족하는 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)의 혼합 환원 가스 분위기를 조성하는 단계, 및 상기 혼합환원 가스 분위기 하에서 폐리튬 이온 전지를 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for recovering valuable metals from a waste lithium ion battery according to the present invention comprises the steps of creating a mixed reducing gas atmosphere of carbon dioxide (CO2) and carbon monoxide (CO) that satisfies the partial pressure ratio of Equation 1 below, and the mixed reducing gas and heat-treating the waste lithium ion battery in an atmosphere.

[수학식 1][Equation 1]

-2.15 ≤ log(PCO2/PCO) ≤ 2.5-2.15 ≤ log(P CO2 /P CO ) ≤ 2.5

이때, PCO2 는 이산화탄소의 분압값이고, PCO 는 일산화탄소의 분압값이다.At this time, P CO2 is the partial pressure value of carbon dioxide, and P CO is the partial pressure value of carbon monoxide.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명의 상기 방법은 폐리튬 이온 전지를 전처리하는 단계, 전처리한 폐리튬 이온 전지를 열처리 장치(예를 들어, 열처리 로(furnace))에 투입하는 단계, 상기 열처리 장치를 CO2와 CO의 혼합 가스 분위기로 조성시키는 단계, 상기 혼합가스 분위기로 조성시킨 열처리 장치를 열처리하는 단계, 및 상기 열처리에 의해 수득한 회수체로부터 유가금속을 분리하는 단계를 포함하며, 상기 열처리 단계와 상기 유가금속의 분리 단계 사이에 700℃ 이상에서 O2 또는 CO2 조건 하에 추가 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to one aspect of the present invention, the method of the present invention includes pre-treating a waste lithium ion battery, putting the pre-treated waste lithium ion battery into a heat treatment device (eg, a heat treatment furnace), the heat treatment creating a mixed gas atmosphere of CO2 and CO in the device, heat-treating the heat treatment device created in the mixed gas atmosphere, and separating valuable metals from a recovered material obtained by the heat treatment, wherein the heat treatment An additional heat treatment step may be further included under O 2 or CO 2 conditions at 700° C. or higher between the step and the separation step of the valuable metal.

이하 각 단계에 대해 보다 구체적으로 설명한다.Each step is described in more detail below.

상기 폐리튬 이온 전지를 전처리 하는 단계는 리튬 이온 폐전지의 폭발 방지 또는 무해화, 외장캔 제거 등을 목적으로 하여 행해진다. 즉, 예컨대 사용이 끝난 리튬 이온 전지 등의 리튬 이온 폐전지는 밀폐계이고, 내부에 전해액 등을 가지고 있기 때문에, 그 대로의 상태에서 분쇄 처리를 행하면, 폭발의 우려가 있어 위험하다. 이 때문에, 어떠한 방법으로 방전 처리나 전해액의 제거 처리를 실시할 필요가 있다. 이와 같이, 폐전지 전처리 공정에 있어서 전해액 및 외장캔을 제거함으로써, 안전성을 높이고, 또한, 구리, 니켈, 코발트 등의 유가 금속의 회수 생산성을 높일 수 있다. 상기 방전 처리의 경우, 알칼리금속 또는 알칼리 토금속 이온이 함유된 수용액 중에 전지를 담그어서 수행할 수 있다.The step of pretreating the waste lithium ion battery is performed for the purpose of preventing explosion or harmlessness of the waste lithium ion battery, removing an outer can, and the like. That is, since a waste lithium ion battery, such as a used lithium ion battery, is a closed system and has an electrolyte solution or the like inside, it is dangerous because there is a risk of explosion if the pulverization treatment is performed in the state as it is. For this reason, it is necessary to perform a discharge treatment or an electrolyte removal treatment by some method. In this way, by removing the electrolyte solution and the outer can in the waste battery pretreatment process, safety can be improved and the recovery productivity of valuable metals such as copper, nickel, and cobalt can be improved. In the case of the discharge treatment, the battery may be immersed in an aqueous solution containing alkali metal or alkaline earth metal ions.

이와 같이 전처리된 폐리튬 이온 전지는 필요에 따라 분쇄 공정을 거칠 수 있다. 상기 분쇄 공정에서는 전지 내용물을 분쇄하여 분쇄물을 얻는다. 분쇄 공정은, 후속 공정에서의 반응 효율을 높임으로써, 구리, 니켈, 코발트의 유가 금속의 회수율을 높이려는 목적으로 행해질 수 있다. 구체적인 분쇄 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 커터 믹서 등의 종래 공지의 분쇄기를 이용하여, 전지의 내용물을 분쇄하거나 절단하여 수행할 수 있다.The waste lithium ion battery pretreated as described above may undergo a pulverization process if necessary. In the pulverization step, the battery contents are pulverized to obtain a pulverized product. The crushing process may be performed for the purpose of increasing the recovery rate of valuable metals such as copper, nickel, and cobalt by increasing the reaction efficiency in the subsequent process. A specific pulverization method is not particularly limited, but can be performed by pulverizing or cutting the contents of the battery using a conventionally known pulverizer such as a cutter mixer.

다음으로, 폐리튬 이온 전지는 열처리 장치, 예를 들어 열처리 로(furnace)에 투입할 수 있다. 상기 열처리로(furnace)는 내부에 폐전지를 장입할 수 있는 공간을 구비하고, 그 내부 또는 그 외부에 열원을 포함하며, 상기 열처리로의 일 측부에는 폐전지를 투입할 수 있는 투입로를 구비하고, 반응이 완료된 결과물을 회수할 수 있는 배출부를 가지는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며; 예를 들면, 머플로(muffle furnace), 화로(hearth furnace), 로터리 킬른로(rotary kiln furnace) 중 어느 하나를 용하는 것일 수 있다. 상기 열원으로는 가스 버너(burner), 석탄 버너, 저항 가열체 또는 IR 램프 등을 사용할 수 있으나, 이에 한되지 않을 수 있다. 열처리 이후의 회수체에는 Me(M=Co or Ni, or Mn) 또는 MeO(M=Co or Ni, or Mn) 그리고 Li2CO3와 LiAlO2, Graphite(C) 그리고 Al, Cu 등으로 구성되어 있다.Next, the waste lithium ion battery may be put into a heat treatment device, for example, a heat treatment furnace. The heat treatment furnace has a space for inserting waste batteries therein, includes a heat source inside or outside the furnace, and has an input furnace for inserting waste batteries at one side of the heat treatment furnace, As long as it has a discharge part capable of recovering the reaction product, it can be used without particular limitation; For example, any one of a muffle furnace, a hearth furnace, and a rotary kiln furnace may be used. As the heat source, a gas burner, a coal burner, a resistance heating element, or an IR lamp may be used, but may not be limited thereto. The recovery material after heat treatment is composed of Me (M=Co or Ni, or Mn) or MeO (M=Co or Ni, or Mn), Li 2 CO 3 and LiAlO 2 , Graphite (C), Al, and Cu. there is.

이어서, 상기 열처리 장치로 투입된 폐전지를 열처리한다. Subsequently, the waste battery introduced into the heat treatment device is heat treated.

먼저 열처리를 아래 표 1에 보이는 조업 온도에 따른 CO2와 CO의 혼합 가스 분위기에서 환원할 수 있다. 상기 혼합 가스는 이산화탄소의 분압값을 일산화탄소의 분압값으로 계산한 값의 대수값인 log(PCO2/PCO)가 -2.15 이상 2.5 이하의 범위 내의 값을 나타내도록 조정할 수 있다. 열처리의 온도는 배터리의 종류와 형태에 따라 결정되며, 상기 열처리 단계에서 열처리 온도가 높아짐에 따라 log(PCO2/PCO)가 작아지도록 조정할 수 있다. LCO와 NMC 계통의 파우치 형 배터리는 650 ~ 850℃ 이의 온도로 열처리를 진행하며, 이 때 열처리는 log(PCO2/PCO)가 -1.20 이상 2.00 이하의 범위 내의 값이 되도록 조정된 이산화탄소와 일산화탄소의 혼합 환원 가스 분위기 하에서 수행될 수 있다. 다른 일 구현예에 따르면, 상기 열처리 온도가 500℃ 이상 600℃ 이하, 600℃ 초과 내지 700℃ 이하, 700℃ 초과 내지 800℃ 이하, 800℃ 초과 내지 900℃ 이하, 또는 900℃ 초과 내지 1,000℃ 이하일 경우 log(PCO2/PCO)를 각각, 0.45 이상 2.50 이하, -0.20 이상 2.00 이하, -0.90 이상 1.85 이하, -1.55 이상 1.60 이하, 또는 -2.15 이상 1.40 이하의 범위 내의 값이 되도록 조정될 수 있다. 조업 온도에 따라 log(PCO2/PCO)의 최대값과 최소값을 조정함으로써, 각각의 열처리 온도 조건에 따라 CO2/CO 혼합 가스를 하한(Min) 값 이상으로 설정하여 탄소의 석출을 억제하고, 상한(Max) 값 이하로 설정하여 열처리 공정 시간을 단축할 수 있다.First, the heat treatment may be reduced in a mixed gas atmosphere of CO 2 and CO according to the operating temperature shown in Table 1 below. The mixed gas may be adjusted so that log(PCO 2 /PCO), which is a logarithmic value of a value calculated by calculating the partial pressure of carbon dioxide as the partial pressure of carbon monoxide, represents a value within a range of -2.15 or more and 2.5 or less. The temperature of the heat treatment is determined according to the type and shape of the battery, and can be adjusted so that log(PCO2/PCO) decreases as the temperature of the heat treatment increases in the heat treatment step. Pouch-type batteries of LCO and NMC systems undergo heat treatment at a temperature of 650 ~ 850 ° C. At this time, the heat treatment is a mixture of carbon dioxide and carbon monoxide adjusted so that log (PCO2 / PCO) is a value within the range of -1.20 or more and 2.00 or less. It may be performed under a reducing gas atmosphere. According to another embodiment, the heat treatment temperature is greater than 500 ° C and less than 600 ° C, greater than 600 ° C and less than 700 ° C, greater than 700 ° C and less than 800 ° C, greater than 800 ° C and less than 900 ° C, or greater than 900 ° C and less than 1,000 ° C In this case, log (P CO 2 /P CO ) may be adjusted to be a value within the range of 0.45 or more and 2.50 or less, -0.20 or more and 2.00 or less, -0.90 or more and 1.85 or less, -1.55 or more and 1.60 or less, or -2.15 or more and 1.40 or less. . By adjusting the maximum and minimum values of log (P CO2 /P CO ) according to the operating temperature, the CO 2 /CO mixed gas is set to the lower limit (Min) value or higher according to each heat treatment temperature condition to suppress the precipitation of carbon , the heat treatment process time can be shortened by setting it below the upper limit (Max) value.

Temperature(℃)Temperature(℃) 500500 550550 600600 650650 700700 750750 800800 850850 900900 950950 10001000

Figure pat00001
Figure pat00001
MaxMax 2.502.50 2.302.30 2.122.12 1.971.97 1.831.83 1.701.70 1.581.58 1.481.48 1.381.38 1.291.29 1.211.21 MinMin 1.201.20 0.830.83 0.490.49 0.160.16 -0.17-0.17 -0.51-0.51 -0.86-0.86 -1.20-1.20 -1.53-1.53 -1.83-1.83 -2.11-2.11

열처리가 끝난 후 열처리 회수체에 대해 추가 열처리를 진행하여 회수체 중 잔류 탄소를 제거한다. 이 때 열처리 온도를 700℃ 이상으로 설정하고, 바람직하게는, 700℃ 내지 800℃의 온도에서 분위기 조건을 O2 또는 CO2로 설정하여 잔류 탄소를 제거함과 동시에 CO 가스를 발생시켜 이를 열처리의 분위기 제어에 사용하거나, CO의 산화에 의한 발열반응을 열처리 공정 또는 분리공정의 열원으로 사용한다. 추가 열처리 이후의 회수체는 Me(M=Co or Ni, or Mn) 또는 MeO(M=Co or Ni, or Mn) 그리고 Li2CO3와 LiAlO2, 그리고 Al, Cu 등으로 구성되어 있다.After the heat treatment is completed, additional heat treatment is performed on the heat treated recovered material to remove residual carbon from the recovered material. At this time, the heat treatment temperature is set to 700 ° C or higher, and preferably, the atmosphere condition is set to O 2 or CO 2 at a temperature of 700 ° C to 800 ° C to remove residual carbon and generate CO gas at the same time to create an atmosphere for heat treatment. It is used for control, or the exothermic reaction by oxidation of CO is used as a heat source for the heat treatment process or separation process. The recovery material after additional heat treatment is composed of Me (M=Co or Ni, or Mn) or MeO (M=Co or Ni, or Mn), Li 2 CO 3 and LiAlO 2 , Al, and Cu.

상기의 열처리 공정을 거친 후 회수체의 물리적 성질에 맞게 유가금속을 회수할 수 있으며, 자성금속의 경우 분리 공정 중 자장을 이용하여 분리할 수 있고, ash의 경우 분급(sieving)에 의해 크기별로 분류할 수 있다. 또한 공정 생성물 중 Li 농축상인 Li2CO3와 LiAlO2는 물이나 산을 이용한 침출 공정에 의해 회수할 수 있다. 해당 분리 공정은 목적에 맞게 추가 열처리 전이나 후에 수행될 수 있다. After going through the above heat treatment process, valuable metals can be recovered according to the physical properties of the recovered product, and in the case of magnetic metals, they can be separated using a magnetic field during the separation process, and in the case of ash, they are classified by size by sieving can do. In addition, among the process products, Li 2 CO 3 and LiAlO 2 , which are Li-enriched phases, can be recovered by a leaching process using water or acid. The separation process can be carried out either before or after the further heat treatment, depending on the purpose.

예를 들어, 애쉬(ash)의 경우, 수 mm 내지 수 cm의 크기를 갖는 프레이크(flake) 형태의 자성 유가금속 함유물이나 비자성 유가금속 함유물에 비해 크기가 작으며, 체 분급(sieving)을 위한 분급 필터를 통과하도록 설계될 수 있다. 상기 분급 필터는, 예를 들면, 80 ㎛ 내지 110 ㎛의 평균 구멍 크기를 갖는 메시(mesh)일 수 있다. 다른 구현예에 따르면, 분급은 유동화 유체, 예를 들면 기류(gas stream) 속에서 입자에 인가되는 원심, 관성력 또는 중력을 이용한 기류식 분급 장치, 원심 분리, 또는 물리적 진동에 의한 분급 또는 액체 내의 침강 속도 차이를 이용한 습식 분극 장치가 적용될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 자성 분리는 전자석 또는 영구자석에 의한 자기장을 이용하여 자성을 갖는 제 1 유가금속 함유물과 자성을 갖지 않는 제 2 유가금속 함유물을 분리한다. 또 다른 구현예에서는, 제 1 및 제 2 유가금속 함유물의 혼합물에 적당한 진동을 부여하면서 자기장을 인가하여 자석에 붙는 제 1 유가금속 함유물을 선별하는 것에 의해 제 2 분리 단계가 수행될 수도 있다.For example, in the case of ash, the size is smaller than that of magnetic valuable metal-containing materials or non-magnetic valuable metal-containing materials in the form of flakes having a size of several mm to several cm, and sieving It can be designed to pass through a classification filter for The classification filter may be, for example, a mesh having an average pore size of 80 μm to 110 μm. According to another embodiment, the classification is performed by a centrifugal, inertial force or gravity applied to the particles in a fluidizing fluid, for example, a gas stream, a pneumatic classifier, a centrifugal separation, or a classification by physical vibration or sedimentation in a liquid. A wet polarization device using a speed difference may be applied, and the present invention is not limited thereto. In the magnetic separation, a first valuable metal-containing material having magnetism and a second valuable metal-containing material having no magnetism are separated by using a magnetic field of an electromagnet or a permanent magnet. In another embodiment, the second separation step may be performed by applying a magnetic field to the mixture of the first and second valuable metal-containing substances while applying appropriate vibration to select the first valuable metal-containing substances attached to the magnet.

이하, 실시예를 참조하여 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

실시예 1 : 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)의 혼합 환원 가스 분위기에서의 유가금속 회수Example 1: Valuable metal recovery in a mixed reducing gas atmosphere of carbon dioxide (CO2) and carbon monoxide (CO)

리튬니켈코발트망간 산화물을 양극활물질로 포함하는 폐 리튬 이온 전지를 알칼리 토금속 이온이 함유된 수용액 속에 전지를 담그고 24H 동안 방전 시켜 전처리 하였다. 그 다음, 열처리로(furnace) 내에 잘 투입되도록, crushing or cutting 공정을 통해 분쇄공정을 진행하였다. 그 다음, 상기 표 1 및 표 2와 같이 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)의 혼합 환원 가스 분위기를 850℃의 온도에서

Figure pat00002
=0으로 15분 처리하였다. 그 다음, 700°C 이상 800°C 이하, O2 또는 CO2 조건에서 추가 열처리를 수행하여 회수체 중 잔류 탄소를 제거하였다. 그 다음, 상기 회수체를 Sieving 하여 열처리 공정 중 생성된 Li2CO3와 LiAlO2을 Ash의 형태로 회수하였다. 한편, 자성/비자성 금속은 회수체에 자장을 걸어 회수하고, Li 농축상인 Li2CO3와 LiAlO2는 water leaching과 acid leaching을 통해 회수하였다.A waste lithium ion battery containing lithium nickel cobalt manganese oxide as a cathode active material was pretreated by immersing the battery in an aqueous solution containing alkaline earth metal ions and discharging for 24 hours. Then, a crushing process was performed through a crushing or cutting process so as to be well put into the heat treatment furnace. Then, as shown in Tables 1 and 2, a mixed reducing gas atmosphere of carbon dioxide (CO 2 ) and carbon monoxide (CO) was prepared at a temperature of 850 ° C.
Figure pat00002
=0 for 15 minutes. Then, additional heat treatment was performed under conditions of 700°C or more and 800°C or less, O 2 or CO 2 to remove residual carbon from the recovered product. Then, the recovered material was sieved to recover Li 2 CO 3 and LiAlO 2 generated during the heat treatment process in the form of ash. Meanwhile, magnetic/non-magnetic metals were recovered by applying a magnetic field to the recovery body, and Li 2 CO 3 and LiAlO 2 , which are Li-enriched phases, were recovered through water leaching and acid leaching.

비교예 1 : 기타 가스 분위기에서의 유가금속 회수Comparative Example 1: Recovery of Valuable Metals in Other Gas Atmospheres

실시예 1과 비교했을 때, 가스 분위기를 실시예 1의 혼합 환원 가스 분위기 대신, 하기 표 2와 같이 여러 가스 분위기에서 유가금속을 회수하였다.Compared with Example 1, valuable metals were recovered in various gas atmospheres as shown in Table 2 below, instead of the mixed reducing gas atmosphere of Example 1.

실험예 1 : 회수된 유가 금속 확인Experimental Example 1: Confirmation of Recovered Valuable Metals

실시예 1에 따라 유가금속을 회수하고 그 회수한 유가금속을 도 1에 나타내었다.Valuable metals were recovered according to Example 1, and the recovered valuable metals are shown in FIG.

도 1을 참고하면, (1) 자성을 갖는 Ni or Co or Mn을 포함하는 합금 형태의 금속 (2) 배터리 case로 Al을 사용했을 경우의 비자성 Al 합금 (3) Water leaching 법을 활용하여 회수한 탄산리튬 (4) MnO와 LiAlO2 그리고 2차 열처리에서 산화되지 않은 잔류 탄소 등의 네 가지 그룹으로 유가금속을 회수할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 1, (1) a metal in the form of an alloy containing Ni or Co or Mn having magnetism (2) a non-magnetic Al alloy in the case of using Al as a battery case (3) recovery using the water leaching method It can be confirmed that valuable metals can be recovered in four groups: lithium carbonate (4) MnO, LiAlO 2 and residual carbon not oxidized in the second heat treatment.

실험예 2 : 환원 가스 종류에 따른 유가금속 회수 여부 분석Experimental Example 2: Analysis of Valuable Metal Recovery Depending on the Type of Reducing Gas

하기 표 2에 따라, 유가금속을 회수하고 그 회수한 유가금속의 수율을 각각 나타내었다.According to Table 2 below, valuable metals were recovered and yields of the recovered valuable metals were respectively shown.

회수금속
분위기 조건
recovered metal
atmosphere conditions
Li2CO3 Li2CO3 LiAlO2 LiAlO2 Al drossAl dross Co Co CuCu CC
비교예 1Comparative Example 1 ArAr 9797 6868 9494 6969 9898 6767 실시예 1Example 1

Figure pat00003
=0
Figure pat00003
=0 9797 7070 9898 9595 9898 8080 비교예 1Comparative Example 1 CO2 CO2 9898 7070 9696 9595 9797 5252 비교예 1Comparative Example 1 COCO 9696 6969 9797 9595 9696 8383

상기 표 2를 참고하면, 비교예 1인 Ar 분위기에선 C가 환원제로 사용되어 Co metal로 환원되는 것을 확인할 수 있었다(solid-solid reaction에 의함).Referring to Table 2, in the Ar atmosphere of Comparative Example 1, it was confirmed that C was used as a reducing agent and reduced to Co metal (by solid-solid reaction).

이에, 실시예 1에 따른 조건으로 유가금속을 회수하였을 경우, 유가금속의 회수율이 높으면서도 CO2 발생량이 현저히 줄어든다는 것을 확인할 수 있었다.Accordingly, it was confirmed that when the valuable metal was recovered under the conditions according to Example 1, the amount of CO 2 generated was remarkably reduced while the recovery rate of the valuable metal was high.

실험예 3 : 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)의 혼합 환원 가스 분위기 조건에 따른 유가금속 회수 분석Experimental Example 3: Valuable metal recovery analysis according to mixed reducing gas atmosphere conditions of carbon dioxide (CO2) and carbon monoxide (CO)

상기 표 2에 따라, 유가금속을 회수하고 그 회수한 유가금속의 수율을 각각 나타내었다.According to Table 2, valuable metals were recovered and yields of the recovered valuable metals were respectively shown.

상기 표 2를 참고하면, 비교예 1인 CO2 만 있는 분위기는 탄소의 소모가 극명한 것을 확인할 수 있었고, CO만 있는 분위기에선 탄소가 석출되어 C 함량이 증가한 것을 확인할 수 있었으며, 실시예 1에 따라 CO2와 환원성 가스인 CO 분위기가 Log 값을 만족할 경우 Co metal이 환원되어(gas-solid reaction) C의 소모를 낮출 수 있다는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 2, it was confirmed that the consumption of carbon was evident in the atmosphere with only CO 2 of Comparative Example 1, and in the atmosphere with only CO, it was confirmed that carbon precipitated and the C content increased. It can be confirmed that when CO 2 and the CO atmosphere, which is a reducing gas, satisfy the log value, the consumption of C can be reduced by reducing the Co metal (gas-solid reaction).

이에 따라, 각각의 열처리 온도 조건에 따라 CO2/CO 혼합 가스를 하한(Min) 값 이상으로 설정하여 탄소의 석출을 억제하고, 상한(Max) 값 이하로 설정하여 열처리 공정 시간을 단축할 수 있다는 점을 확인할 수 있었다.Accordingly, according to each heat treatment temperature condition, the CO 2 /CO mixed gas is set to the lower limit (Min) value or more to suppress the precipitation of carbon, and the heat treatment process time can be shortened by setting it to the upper limit (Max) value or less. point could be confirmed.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand that you can.

Claims (12)

하기 수학식 1의 분압비를 만족하는 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)의 혼합 환원 가스 분위기를 조성하는 단계; 및
상기 혼합환원 가스 분위기 하에서 폐리튬 이온 전지를 열처리하는 단계를 포함하는 것인, 폐리튬 이온 전지로부터 유가금속을 회수하는 방법.
[수학식 1]
-2.15 ≤ log(PCO2/PCO) ≤ 2.5
이때, PCO2 는 이산화탄소의 분압값이고, PCO 는 일산화탄소의 분압값이다.
Creating a mixed reducing gas atmosphere of carbon dioxide (CO 2 ) and carbon monoxide (CO) that satisfies the partial pressure ratio of Equation 1 below; and
A method for recovering valuable metals from a waste lithium ion battery comprising the step of heat-treating the waste lithium ion battery in the mixed reducing gas atmosphere.
[Equation 1]
-2.15 ≤ log(P CO2 /P CO ) ≤ 2.5
At this time, P CO2 is the partial pressure value of carbon dioxide, and P CO is the partial pressure value of carbon monoxide.
제1항에 있어서,
상기 유가 금속은 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 및 리튬(Li)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 1,
The method, characterized in that the valuable metal is at least one selected from the group consisting of cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and lithium (Li).
제1항에 있어서,
상기 열처리 단계에서 열처리 온도가 높아짐에 따라 상기 log(PCO2/PCO) 가 작아지도록 조정하는 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 1,
In the heat treatment step, as the heat treatment temperature increases, the log (P CO 2 /P CO ) is adjusted to decrease.
제3항에 있어서,
상기 열처리 온도가 500℃ 이상 600℃ 이하, 600℃ 초과 내지 700℃ 이하, 700℃ 초과 내지 800℃ 이하, 800℃ 초과 내지 900℃ 이하, 또는 900℃ 초과 내지 1,000℃ 이하일 경우,
log(PCO2/PCO)를 각각, 0.45 이상 2.50 이하, -0.20 이상 2.15 이하, -0.90 이상 1.85 이하, -1.55 이상 1.60 이하, 또는 -2.15 이상 1.40 이하의 범위 내의 값이 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 3,
When the heat treatment temperature is greater than 500 ° C and less than 600 ° C, greater than 600 ° C and less than 700 ° C, greater than 700 ° C and less than 800 ° C, greater than 800 ° C and less than 900 ° C, or greater than 900 ° C and less than 1,000 ° C,
It is characterized in that log (P CO2 /P CO ) is adjusted to be a value within the range of 0.45 or more and 2.50 or less, -0.20 or more and 2.15 or less, -0.90 or more and 1.85 or less, -1.55 or more and 1.60 or less, or -2.15 or more and 1.40 or less. How to.
제1항에 있어서,
상기 폐리튬 이온 전지가 리튬니켈코발트망간 산화물 또는 리튬코발트산화물을 양극 활물질로 포함하는 전지인 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 1,
The waste lithium ion battery is a battery comprising lithium nickel cobalt manganese oxide or lithium cobalt oxide as a positive electrode active material.
제5항에 있어서,
상기 열처리가 650 내지 850℃ 사이의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 5,
The method, characterized in that the heat treatment is carried out at a temperature between 650 and 850 ℃.
제5항에 있어서,
상기 열처리 온도에서, log(PCO2/PCO)가 -1.20 이상 2.00 이하의 범위 내의 값이 되도록 조정된 이산화탄소와 일산화탄소의 혼합 환원 가스 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 5,
At the heat treatment temperature, log (P CO2 /P CO ) is carried out in a mixed reducing gas atmosphere of carbon dioxide and carbon monoxide adjusted to a value within the range of -1.20 or more and 2.00 or less.
제6항에 있어서,
상기 열처리에 의해 Co, Ni, Mn, CoO, NiO, MnO, Li2CO3, 및 LiAlO2 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 회수체가 수득되는 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 6,
A method characterized in that a recovered material containing at least one selected from the group consisting of Co, Ni, Mn, CoO, NiO, MnO, Li 2 CO 3 , and LiAlO 2 is obtained by the heat treatment.
제1항에 있어서,
상기 열처리하여 수득한 회수체를 700℃ 이상에서 산소(O2) 또는 이산화탄소(CO2)의 분위기 하에서 열처리하는 추가 열처리 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 1,
A method characterized by further comprising an additional heat treatment step of heat-treating the recovered material obtained by the heat treatment in an atmosphere of oxygen (O 2 ) or carbon dioxide (CO 2 ) at 700 ° C or higher.
제9항에 있어서,
상기 추가 열처리 단계에서 CO 가스가 발생하고 상기 CO 가스를 전술한 열처리 단계의 혼합 환원 가스로 공급하여 log(PCO2/PCO)를 조정하는 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 9,
In the additional heat treatment step, CO gas is generated, and the CO gas is supplied as a mixed reducing gas in the heat treatment step to adjust log (P CO2 /P CO ).
제1항에 있어서,
상기 열처리하여 수득한 회수체로부터 유가금속 함유물을 분리하는 분리 단계를 추가로 포함하고,
상기 분리는 분급(sieving)에 의한 분리 공정, 자성에 의한 분리 공정, 및 산 또는 물을 사용한 침출에 의한 분리 공정으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 분리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 1,
Further comprising a separation step of separating valuable metal-containing materials from the recovered product obtained by the heat treatment,
The method characterized in that the separation includes at least one separation process selected from the group consisting of a separation process by sieving, a separation process by magnetism, and a separation process by leaching using acid or water.
제9항에 있어서,
상기 추가 열처리 단계에서 CO 가스가 발생하고 상기 CO 가스의 산화에 의한 발열 반응으로 발생한 열을
전술한 열처리 단계, 또는 상기 열처리 단계 이후에 수행되는 유가금속 분리 단계에서 열원으로 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 9,
In the additional heat treatment step, CO gas is generated and the heat generated by the exothermic reaction by oxidation of the CO gas is
A method characterized in that it is provided as a heat source in the above-mentioned heat treatment step or in the valuable metal separation step performed after the heat treatment step.
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