KR20230081900A - Selective recovery of valuable metal from cathode active material of spent lithium ion batteries - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법에 관한 것으로, 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계; 및 상기 침출된 유효 금속을 회수하는 단계;를 포함하고, 상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계;는, 산화제를 추가적으로 더 투입하여 리튬을 선택적으로 침출시키는 단계이고, 리튬의 선택적 침출 이후에 수득되는 잔사를 수득하는 단계; 및 상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;를 더 포함하는 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법을 제공한다. The present invention relates to a method for selectively recovering valuable metals from waste cathode active materials, comprising: leaching effective metals from powder of waste cathode active materials under acidic conditions; and recovering the leached effective metal; wherein the step of leaching the effective metal in the powder of the waste cathode active material under the acidic condition; is a step of selectively leaching lithium by additionally introducing an oxidizing agent, obtaining a residue obtained after selective leaching; and selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue.

Description

폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법 {Selective recovery of valuable metal from cathode active material of spent lithium ion batteries}Method for selectively recovering valuable metal from waste cathode active material {Selective recovery of valuable metal from cathode active material of spent lithium ion batteries}

본 발명은 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn) 및 리튬(Li) 등을 포함하는 폐양극활물질분말로부터 리튬(Li)을 선택적으로 침출하여 제거함으로써 잔사에 포함된 코발트, 니켈, 망간을 용이하게 분리 회수하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for selectively recovering valuable metals from waste cathode active materials, and more particularly, waste cathode active material powder containing nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), lithium (Li), etc. It relates to a method for easily separating and recovering cobalt, nickel, and manganese included in the residue by selectively leaching and removing lithium (Li) from the residue.

리튬이차전지는 전기자동차와 전력저장시스템(ESS) 핵심부품으로써 환경오염이 없는 신재생에너지의 공급량이 확대됨에 따라 그 수요가 급격하게 증대되고 있다. 전기자동차 전지 등의 수요가 증가하면서 니켈(Ni)-코발트(Co)-망간(Mn)(NCM)계의 리튬이온전지(LIBs, Lithium Ion Batteries) 양극활물질의 생산량이 증가하는 추세이다.Lithium secondary batteries are key components of electric vehicles and power storage systems (ESS), and their demand is rapidly increasing as the supply of renewable energy without environmental pollution expands. As the demand for electric vehicle batteries increases, the production of cathode active materials for lithium ion batteries (LIBs) based on nickel (Ni)-cobalt (Co)-manganese (Mn) (NCM) is on the rise.

이에 따라, 수명이 다한 전기자동차, 에너지저장장치(ESS) 등으로부터 발생된 리튬이차전지의 삼원계 양극활물질은 리튬(Li), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)과 같은 고가의 유가금속을 함유하고 있으며, 이러한 유가금속을 회수하여 리튬이차전지 원료로 재순환하기 위한 효과적이고 경제적인 공정개발이 요구되고 있다. Accordingly, ternary cathode active materials of lithium secondary batteries generated from electric vehicles and energy storage systems (ESSs) whose lifespan has expired contain expensive valuable metals such as lithium (Li), cobalt (Co), and nickel (Ni). And, there is a demand for developing an effective and economical process for recovering these valuable metals and recycling them as raw materials for lithium secondary batteries.

종래 폐양극활물질로부터 유가금속 회수를 위해 리튬이온전지 스크랩을 산성 용액에서 침출하여 망간 회수-코발트 회수-니켈 회수-리튬 회수의 단계적 회수공정을 통해 유가금속인 망간, 코발트, 니켈 및 리튬을 회수하고 있다.In order to recover valuable metals from conventional waste cathode active materials, lithium ion battery scrap is leached in an acidic solution to recover manganese, cobalt, nickel, and lithium, which are valuable metals, through a stepwise recovery process of manganese recovery-cobalt recovery-nickel recovery-lithium recovery. there is.

그러나 이는, 리튬의 제거가 최종 단계이므로 리튬의 손실율이 높으며, 유가금속 각각을 고순도로 회수하는 공정으로 인해 제조원가가 상승하는 문제점이 있어왔다.However, since the removal of lithium is the final step, the loss rate of lithium is high, and manufacturing costs increase due to the process of recovering each valuable metal with high purity.

또한, 종래 폐양극활물질을 비선택적 용해로 침출한 후, 불순물 제거-NCM 공침하여 Li 제거-황산 재용해의 단계를 통해 유가금속을 회수하고 있으나, 이는, 리튬의 제거가 최종 단계이므로 리튬의 손실율이 높으며, NCM 공침산물을 회수하기 위해 황산 재용해 및 불순물 제거 등 추가공정을 거쳐야 하므로 비경제적인 문제가 존재해 왔다.In addition, conventional waste cathode active materials are leached by non-selective dissolution, and then impurities are removed-NCM coprecipitation to remove Li-sulfuric acid re-dissolution to recover valuable metals, but since the removal of lithium is the final step, the loss rate of lithium is It is high, and in order to recover the NCM co-precipitation product, additional processes such as sulfuric acid re-dissolution and impurity removal have to be performed, so there has been an uneconomical problem.

게다가, 종래 폐양극활물질로부터 리튬만을 선택적 회수하기 위해 수소, 활성탄, Na2CO3 등으로 600oC 이상에서 건식 환원열처리를 수행하고, 습식으로 수 침출하는 건식(환원열처리)-습식(수침출)의 단계적 공정을 이용하고 있으나, 이는 또한 공정이 복잡하며, 리튬을 회수하기 위한 에너지 소모가 크다는 문제점이 있어왔다.In addition, in order to selectively recover only lithium from conventional waste cathode active materials, dry reduction heat treatment is performed at 600 ° C or higher with hydrogen, activated carbon, Na 2 CO 3 , etc., followed by wet water leaching. Dry (reduction heat treatment)-wet (water leaching) ), but it also has problems in that the process is complicated and energy consumption for recovering lithium is high.

따라서, 폐양극활물질에서 습식공정에 의한 리튬의 선택적 제거 혹은 회수를 선행함으로써 리튬이 제거된 삼원계 물질 즉 코발트, 니켈, 망간이 포함된 잔사로부터 경제적이고 효율적으로 코발트, 니켈 등 유가금속을 회수할 수 있는 공정의 필요성이 요구되고 있는 실정이다.Therefore, it is possible to economically and efficiently recover valuable metals such as cobalt and nickel from residues containing cobalt, nickel, and manganese, which is the ternary material from which lithium is removed, by preceding the selective removal or recovery of lithium from the waste cathode active material by a wet process. There is a need for a process that can be performed.

1. 대한민국 공개특허 제10-2013-0071838호(2013.07.01. 공개)1. Republic of Korea Patent Publication No. 10-2013-0071838 (published on July 1, 2013)

본 발명의 목적은 폐양극활물질로부터 고순도의 리튬 회수를 선행하고, 이의 잔사로부터 코발트, 니켈, 망간과 같은 유가금속을 회수할 수 있는 삼원계 폐양극활물질로부터 리튬의 선택적 회수방법 및 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 유가금속 회수방법을 제공하는 데에 있다.An object of the present invention is to precede the recovery of high-purity lithium from the waste cathode active material, and to recover valuable metals such as cobalt, nickel, and manganese from the residue, and a method for selectively recovering lithium from a ternary waste cathode active material and cobalt (Co) It is to provide a method for recovering valuable metals such as nickel (Ni) and manganese (Mn).

본 발명의 일 구현예에서는, 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계; 및 상기 침출된 유효 금속을 회수하는 단계;를 포함하고, 상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계;는, 산화제를 추가적으로 더 투입하여 리튬을 선택적으로 침출시키는 단계이고, 리튬의 선택적 침출 이후에 수득되는 잔사를 수득하는 단계; 및 상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;를 더 포함하는 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법을 제공한다. In one embodiment of the present invention, leaching the effective metal in the waste cathode active material powder under acidic conditions; and recovering the leached effective metal; wherein the step of leaching the effective metal in the powder of the waste cathode active material under the acidic condition; is a step of selectively leaching lithium by additionally introducing an oxidizing agent, obtaining a residue obtained after selective leaching; and selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue.

상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;이후, 수득된 여액에 불순물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.Reduction leaching of the residue to selectively leach cobalt and nickel except for manganese; thereafter, a step of removing impurities from the obtained filtrate may be further included.

상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서, 반응 온도는 50 내지 90℃일 수 있다.In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue, the reaction temperature may be 50 to 90 °C.

상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서, 침출 pH 조건은 1이하일 수 있다.In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue, the leaching pH condition may be 1 or less.

상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서, 환원제의 농도는 0.05 내지 0.3M일 수 있다.In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue, the concentration of the reducing agent may be 0.05 to 0.3M.

상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서, 고액비 조건은 5 이상일 수 있다.In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue, the high-liquid ratio condition may be 5 or more.

상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서, 사용하는 환원제는 SO2, Na2S2O3, Na2S2O5, NaHSO3, Na2SO3, KHSO3, K2SO3, FeSO4, H2S, glucose, citric acid, malic acid, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue, the reducing agent used is SO 2 , Na 2 S 2 O 3 , Na 2 S 2 O 5 , NaHSO 3 , Na 2 SO 3 , KHSO 3 , K 2 SO 3 , FeSO 4 , H 2 S, glucose, citric acid, malic acid, or a combination thereof.

상기 산화제는 KMnO4, Na2S2O8, O3, NaClO3로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다. The oxidizing agent may be one or more selected from the group consisting of KMnO 4 , Na 2 S 2 O 8 , O 3 , and NaClO 3 .

상기 산화제의 영향으로 폐양극활물질 내 망간은 이산화망간 형태로 석출되고, 니켈 및 코발트를 리튬산화물 형태로 석출될 수 있다.Under the influence of the oxidizing agent, manganese in the waste cathode active material may be precipitated in the form of manganese dioxide, and nickel and cobalt may be precipitated in the form of lithium oxide.

상기 상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계;는, 30 내지 90 ℃의 온도에서 침출하는 방법일 수 있다.The step of leaching the effective metal in the waste cathode active material powder under the acidic condition; may be a method of leaching at a temperature of 30 to 90 °C.

상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계;는, pH 2 내지 7에서 침출하는 방법일 수 있다. Leaching the effective metal in the waste cathode active material powder under the acidic condition; may be a method of leaching at a pH of 2 to 7.

상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계;는, 1 내지 4시간 동안 침출하는 방법일 수 있다. Leaching the effective metal in the waste cathode active material powder under the acidic condition; may be a method of leaching for 1 to 4 hours.

상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계;는, 고액비 5 내지 10으로 침출하는 방법일 수 있다. The step of leaching the effective metal in the waste cathode active material powder under acidic conditions; may be a method of leaching at a high-liquid ratio of 5 to 10.

상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계; 이후에, 리튬 침출 여액에 중화제를 첨가하여 리튬 외 불순물을 침전시켜 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다. Leaching effective metals in the waste cathode active material powder under the acidic conditions; Thereafter, adding a neutralizing agent to the lithium leaching filtrate to precipitate and remove impurities other than lithium; may further include.

상기 불순물은 탄산화물((Co-Ni-Mn)CO3)이나 수산화물((Co-Ni-Mn)(OH)2)을 포함할 수 있다.The impurity may include a carbonate ((Co-Ni-Mn)CO 3 ) or a hydroxide ((Co-Ni-Mn)(OH) 2 ).

상기 불순물은, 상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에 재활용될 수 있다. The impurities may be recycled in the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue.

본 발명에 따른 삼원계(니켈(Ni)-코발트(Co)-망간(Mn); NCM) 폐양극활물질로부터 리튬의 선택적 회수방법은 폐양극활물질의 침출공정을 통해 고순도의 리튬을 선택적으로 회수하는 단계를 선행함으로써 낮은 리튬 손실율로 고순도의 리튬을 수득할 수 있다.A method for selectively recovering lithium from a ternary (nickel (Ni)-cobalt (Co)-manganese (Mn); NCM) waste cathode active material according to the present invention is to selectively recover high-purity lithium through a leaching process of the waste cathode active material. By preceding the steps, high-purity lithium can be obtained with a low lithium loss rate.

또한, 상기 리튬 회수 공정으로부터 얻어진 리튬이 제거된 잔사로부터 코발트, 니켈, 망간과 같은 유가금속을 회수할 수 있어, 경제적이고, 효율적으로 리튬(Li)뿐만 아니라 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 유가금속을 회수할 수 있다.In addition, valuable metals such as cobalt, nickel, and manganese can be recovered from the lithium-free residue obtained from the lithium recovery process, economically and efficiently, as well as cobalt (Co), nickel (Ni), Valuable metals such as manganese (Mn) can be recovered.

도 1 및 2는 본 발명에 따른 폐양극활물질분말로부터 유가금속을 분리회수하는 방법의 개략 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 사용된 폐양극활물질분말의 XRD 분석결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 리튬의 선택적 침출 후(1차 침출), 잔사의 XRD 분석결과를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 8은 다양한 제어 변수에 따른 유가 금속의 침출율 결과이다.
1 and 2 are schematic flowcharts of a method for separating and recovering valuable metals from waste cathode active material powder according to the present invention.
3 is a view showing the XRD analysis results of the waste cathode active material powder used in the present invention.
4 is a view showing XRD analysis results of the residue after selective leaching of lithium (primary leaching).
5 to 8 are results of leaching rates of valuable metals according to various control variables.

이하에서는 본 발명은 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명자들은 폐양극활물질분말을 산화제에 침출한 후, 리튬 침출 여액의 불순물 제거 및 탄산화하는 습식공정을 수행함으로써 고순도의 리튬만을 선택적으로 선행 회수할 수 있으며, 리튬이 제거된 잔사로부터 코발트, 니켈, 망간과 같은 유가금속을 회수할 수 있어, 고순도의 리튬, 코발트, 니켈, 망간의 유가금속을 경제적이고, 효율적으로 회수할 수 있으므로 리튬이차전지의 양극활물질로서 다시 재생하여 이용될 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention can selectively recover only high-purity lithium in advance by leaching waste cathode active material powder with an oxidizing agent and then performing a wet process of removing impurities and carbonating the lithium leaching filtrate, and from the lithium-removed residue cobalt, nickel, Valuable metals such as manganese can be recovered, and valuable metals such as high-purity lithium, cobalt, nickel, and manganese can be recovered economically and efficiently. completed the present invention.

본 발명의 폐양극활물질분말은 제조공정상 불량품이거나 폐기되는 리튬이차전지용 양극 활물질로부터 얻은 것으로, 특히 Ni-Co-Mn(NCM) 삼원계 폐양극활물질을 이용한다. 수집된 폐양극활물질은 배소 및 소정의 분말화 과정을 거쳐 폐양극활물질 분말 상태로 준비된다. 폐양극활물질분말에는, 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 리튬(Li) 외에 미량의 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe), 칼슘(Ca) 등 여러 성분이 혼합되어 있다.The waste cathode active material powder of the present invention is obtained from a cathode active material for a lithium secondary battery that is defective or discarded in the manufacturing process, and in particular, Ni-Co-Mn (NCM) ternary waste cathode active material is used. The collected waste cathode active material is prepared in a powder state through roasting and predetermined powdering processes. In the waste cathode active material powder, various components such as nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), and lithium (Li), as well as trace amounts of aluminum (Al), copper (Cu), iron (Fe), and calcium (Ca) this is mixed.

본 발명의 폐양극활물질로부터 리튬의 선택적 회수방법은, 폐양극활물질분말을 산화제에 침출한 후, 리튬 침출 여액의 불순물 제거 및 탄산화하는 습식공정을 수행함으로써 고순도의 리튬만을 선택적으로 선행 회수하는 과정을 포함한다. The method for selectively recovering lithium from waste cathode active material of the present invention is a process of selectively recovering only high-purity lithium by performing a wet process of leaching waste cathode active material powder with an oxidizing agent, removing impurities from the lithium leaching filtrate, and carbonating the filtrate. include

이후, 리튬이 제거된 잔사로부터 침출 및 불순물 제거의 공정을 수행하면 코발트, 니켈, 망간과 같은 유가금속 또한 회수할 수 있다.Thereafter, when leaching and impurity removal processes are performed from the residue from which lithium is removed, valuable metals such as cobalt, nickel, and manganese can also be recovered.

구체적으로, 본 발명은 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계; 및 상기 침출된 유효 금속을 회수하는 단계;를 포함하고, 상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계;에서, 산화제를 추가적으로 더 투입하여 리튬을 선택적으로 침출시키는 방법을 포함한다. Specifically, the present invention comprises the steps of leaching the effective metal in the waste cathode active material powder under acidic conditions; and recovering the leached effective metal, and in the step of leaching the effective metal in the waste cathode active material powder in the acidic condition, a method of selectively leaching lithium by additionally introducing an oxidizing agent.

먼저, 상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계에 대해 설명한다. First, the step of leaching the effective metal in the waste cathode active material powder under the acidic conditions will be described.

상기 폐양극활물질분말은 산화제에 의해 층상구조의 결정격자가 붕괴 또는 변형되어 리튬의 선택적 용해를 가능하게 한다.In the waste cathode active material powder, the crystal lattice of the layered structure is collapsed or transformed by an oxidizing agent to enable selective dissolution of lithium.

상기 산화제로는 KMnO4, Na2S2O8, O3, NaClO3로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되나, 바람직하게는 과망간산칼륨(KMnO4)을 이용하여 최적 반응온도, pH, 반응시간 고액비의 조건에서 반응시켜 수행하는 것이 바람직하다.As the oxidizing agent, one or more is selected from the group consisting of KMnO 4 , Na 2 S 2 O 8 , O 3 , and NaClO 3 , but preferably potassium permanganate (KMnO 4 ) is used to optimize reaction temperature, pH, reaction time and liquid-liquid ratio. It is preferable to carry out the reaction under the conditions of.

상기 최적 반응온도는 30 내지 90 ℃의 온도범위가 바람직하며, 반응온도 30 oC 이하에서는 망간의 산화반응이 활발하지 않아 코발트, 니켈 등 유가금속 침출율이 상승하여 리튬에 대한 선택성이 떨어지고, 90 ℃ 이상에서는 물의 증발반응 및 가열에 소비되는 에너지 비용이 상승하여 바람직하지 않다. 보다 구체적으로는, 50 내지 80℃가 좋다. The optimum reaction temperature is preferably in the range of 30 to 90 ° C., and at a reaction temperature of 30 ° C or less, the oxidation reaction of manganese is not active, so the leaching rate of valuable metals such as cobalt and nickel increases, resulting in poor selectivity for lithium. The above is not preferable because the cost of energy consumed for evaporation and heating of water increases. More specifically, 50 to 80°C is preferable.

또한, 최적 pH는 2 내지 10의 범위가 바람직하며, 수침출 pH가 10 이상일 경우 망간의 산화반응 속도가 느려 리튬의 침출율이 낮고, pH 2 이하에서는 중화에 소요되는 알칼리제의 첨가량이 증가하여 경제적이지 못한 단점이 있다. 여기서 pH는 H2SO4, HCl, HNO3 로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되어 조절될 수 있다. 보다 바람직한 pH 범위는 2 내지 5 범위일 수 있다. In addition, the optimum pH is preferably in the range of 2 to 10, and when the water leaching pH is 10 or more, the oxidation reaction rate of manganese is slow, and the leaching rate of lithium is low. There are downsides to not having it. Here, the pH may be adjusted by selecting one or more from the group consisting of H 2 SO 4 , HCl, and HNO 3 . A more preferred pH range may be in the range of 2 to 5.

또한, 최적 반응시간은 1 내지 4시간 범위가 바람직하며, 4시간 이상으로 증가할 경우 조업시간 증가에 비해 침출율 향상이 크지 않으므로 바람직하지 않다.In addition, the optimal reaction time is preferably in the range of 1 to 4 hours, and when it is increased to 4 hours or more, it is not preferable because the leaching rate is not improved compared to the increase in operating time.

또한, 폐양극활물질분말과 산화제 수용액은 고액비 5 내지 10의 범위가 바람직하며, 고액비 L/S 10이상일 경우, 침출액 내 리튬의 농도가 감소하여 리튬을 농축하는데 소요되는 에너지 비용이 증가하며, L/S 5이하이면 리튬의 농도가 13 g/L 이상으로 증가하여 침출 반응보다 리튬의 침전반응이 우세하여 용해속도가 현저히 느려지는 문제점이 있다.In addition, the waste cathode active material powder and the oxidizing agent aqueous solution preferably have a solid-liquid ratio in the range of 5 to 10, and when the solid-liquid ratio L / S is 10 or more, the concentration of lithium in the leachate decreases, increasing the energy cost required to concentrate lithium, If L / S is less than 5, the concentration of lithium increases to 13 g / L or more, and the precipitation reaction of lithium dominates the leaching reaction, so there is a problem that the dissolution rate is remarkably slow.

상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계; 이후에, 리튬 침출 여액에 중화제를 첨가하여 리튬 외 불순물을 침전시켜 제거할 수 있다. Leaching effective metals in the waste cathode active material powder under the acidic conditions; Thereafter, a neutralizing agent may be added to the lithium leaching filtrate to precipitate and remove impurities other than lithium.

상기 리튬 침출 여액으로부터 리튬을 제외한 불순물(Cu, Al, Ca 등)의 제거를 위해 알칼리 중화제를 첨가할 수 있으며, 상기 중화제는 NaOH, NH4OH, Na2CO3, K2CO3, CaO, CaCO3, MgCO3, MgO로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되나, 바람직하게는 탄산나트륨(Na2CO3)을 이용하여 pH 9-10의 범위로 조절하는 것이 바람직하다.An alkali neutralizer may be added to remove impurities (Cu, Al, Ca, etc.) other than lithium from the lithium leaching filtrate, and the neutralizer may be NaOH, NH 4 OH, Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , CaO, At least one is selected from the group consisting of CaCO 3 , MgCO 3 , and MgO, but preferably adjusted to the pH range of 9-10 using sodium carbonate (Na 2 CO 3 ).

상기와 같이 중화제를 이용하여 중화 후, 수득한 침전물에는 Cu, Al, Ca 외 코발트, 니켈, 망간 등이 포함되어 있다. 이때, 니켈, 코발트, 망간침전물의 성상은 알칼리제의 종류에 따라 달라지며, 주로 탄산화물((Co-Ni-Mn)CO3)이나 수산화물((Co-Ni-Mn)(OH)2) 공침산물로 수득될 수 있다.As described above, after neutralization using a neutralizing agent, the obtained precipitate contains Cu, Al, and Ca as well as cobalt, nickel, manganese, and the like. At this time, the properties of nickel, cobalt, and manganese precipitates vary depending on the type of alkali agent, and are mainly co-precipitated with carbonates ((Co-Ni-Mn)CO 3 ) or hydroxides ((Co-Ni-Mn)(OH) 2 ). It can be obtained with water.

상기 침출된 유효 금속을 회수하는 단계;는, 리튬 침출 여액을 가열농축 후, 탄산화하여, 탄산리튬으로 회수하는 리튬 회수 단계를 포함할 수 있다. The recovering the leached effective metal; may include a lithium recovery step of recovering lithium carbonate by carbonating the lithium leaching filtrate after heating and concentrating it.

상기 가열농축은 50 내지 95 oC의 온도로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 90 oC의 온도로 수행할 수 있다.The heat-concentration is characterized in that it consists of a temperature of 50 to 95 ° C, it can be preferably carried out at a temperature of 90 ° C.

또한, 상기 탄산화는 Na2CO3, K2CO3, CaCO3, MgCO3로 이루어진 군에서 하나 이상 선택하여 첨가하는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 탄산나트륨(Na2CO3)을 리튬 1몰 대비 1몰 내지 1.5몰 농도로 첨가하여 탄산리튬을 회수할 수 있다.In addition, the carbonation is characterized by adding one or more selected from the group consisting of Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , CaCO 3 , and MgCO 3 , preferably sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) relative to 1 mole of lithium. Lithium carbonate can be recovered by adding it at a concentration of 1 to 1.5 moles.

이후, 탄산리튬 내 공침된 나트륨 제거를 위해 고액비(탄산리튬과 물; L/S) 3:1 비율로 2회 수세척을 수행하여 고순도의 리튬을 회수할 수 있다.Thereafter, in order to remove sodium co-precipitated in lithium carbonate, high-purity lithium may be recovered by performing water washing twice at a solid-liquid ratio (lithium carbonate and water; L/S) of 3:1.

또한, 본 발명은 상기 리튬 침출액에서 분리된 잔사 및/또는 상기 침전된 리튬 외 불순물을 포함한 조성물로부터 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 유가금속을 회수하는 단계를 포함하는 폐양극활물질로부터 삼원계 유가금속 회수방법을 제공한다.In addition, the present invention is a lung waste comprising the step of recovering valuable metals such as cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn) from the residue separated from the lithium leachate and / or the composition containing the precipitated impurities other than lithium. A method for recovering a ternary valuable metal from a cathode active material is provided.

상기 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 유가금속을 회수하는 단계는 침출반응, 불순물 제거 반응 등 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 유가금속을 회수할 수 있는 방법이라면 제한 없이 모두 이용 가능하다.In the step of recovering valuable metals such as cobalt (Co), nickel (Ni), and manganese (Mn), valuable metals such as leaching reaction and impurity removal reaction may be recovered. Any way possible can be used without any restrictions.

상기 리튬 침출액으로부터 침출액을 여과하고 수득한 리튬이 제거된 잔사는 MnO2, LiCoO2, LiNiO2 을 포함하며, 상기 침전된 리튬 외 불순물은 코발트, 니켈, 망간 가수분해 산물인 탄산화물((Co-Ni-Mn)CO3)이나 수산화물((Co-Ni-Mn)(OH)2) 공침산물을 포함하는 것을 특징으로 한다.The lithium-free residue obtained by filtering the leachate from the lithium leachate includes MnO 2 , LiCoO 2 , and LiNiO 2 , and the precipitated impurities other than lithium are carbonates ((Co- Ni-Mn)CO 3 ) or hydroxide ((Co-Ni-Mn)(OH) 2 ) is characterized in that it includes co-precipitation products.

보다 구체적으로, 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계; 및 상기 침출된 유효 금속을 회수하는 단계;를 포함하고, 상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계;는, 산화제를 추가적으로 더 투입하여 리튬을 선택적으로 침출시키는 단계이고, 리튬의 선택적 침출 이후에 수득되는 잔사를 수득하는 단계; 및 상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;를 더 포함하는 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법을 제공할 수 있다. More specifically, leaching the effective metal in the waste cathode active material powder under acidic conditions; and recovering the leached effective metal; wherein the step of leaching the effective metal in the powder of the waste cathode active material under the acidic condition; is a step of selectively leaching lithium by additionally introducing an oxidizing agent, obtaining a residue obtained after selective leaching; and selectively leaching cobalt and nickel other than manganese by reduction leaching of the residue.

또한, 상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;이후, 수득된 여액에 불순물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. In addition, the residue may be reduced and leached to selectively leach cobalt and nickel except for manganese; thereafter, a step of removing impurities from the obtained filtrate may be further included.

상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서, 반응 온도는 50 내지 90℃일 수 있다. In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue, the reaction temperature may be 50 to 90 °C.

50도 미만인 경우 반응속도 느림가 느리며, 망간의 침출율 증가하는 문제점이 있다. 90도 초과인 경우, 침출율의 향상보다는 물의 증발이 많이 되어, 가열에 의한 에너지 비용이 증가하는 문제점이 있다. 보다 바람직하게는, 60 내지 80℃일 수 있다. If the temperature is less than 50 degrees, there is a problem that the reaction rate is slow and the leaching rate of manganese increases. If the temperature exceeds 90 degrees, there is a problem in that energy cost due to heating increases due to increased evaporation of water rather than improvement in leaching rate. More preferably, it may be 60 to 80 °C.

상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서, 침출 pH 조건은 1이하일 수 있다. pH 조건이 이 범위보다 높은 경우, 코발트 및 니켈의 침출율이 낮다. 또한, pH 범위가 상기 범위 이하인 경우, 망간의 선택성이 더 개선되는 결과를 볼 수 있다. In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue, the leaching pH condition may be 1 or less. When the pH condition is higher than this range, the leaching rate of cobalt and nickel is low. In addition, when the pH range is below the above range, the selectivity of manganese is further improved.

상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서, 환원제의 농도는 0.05 내지 0.3M일 수 있다. In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue, the concentration of the reducing agent may be 0.05 to 0.3M.

0.05M 이하인 경우, 환원제의 양이 충분하지 않아 코발트와 니켈의 침출율이 낮아지는 문제점이 있다. 0.3M이상인 경우 망간의 환원반응이 활발해져 망간의 선택성이 저하되는 문제점이 있다. In the case of 0.05M or less, there is a problem in that the leaching rate of cobalt and nickel is lowered because the amount of the reducing agent is not sufficient. If it is 0.3M or more, there is a problem in that the selectivity of manganese decreases because the reduction reaction of manganese becomes active.

더 바람직하게는 0.08 내지 0.21M 범위일 수 있다. More preferably, it may be in the range of 0.08 to 0.21M.

상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서, 고액비 조건은 5 이상일 수 있다. In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue, the high-liquid ratio condition may be 5 or more.

보다 바람직하게는, 7 이상 또는 10이상일 수 있다. 보다 바람직하게는 5 내지 20일 수 있으며, 또는 10 내지 20일 수 있다. More preferably, it may be 7 or more or 10 or more. More preferably, it may be 5 to 20, or it may be 10 to 20.

이러한 고액비를 만족하는 경우, 유가 금속의 침출율이 개선될 수 있다. When this high-liquid ratio is satisfied, the leaching rate of valuable metals can be improved.

상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서, 사용하는 환원제는 SO2, Na2S2O3, Na2S2O5, NaHSO3, Na2SO3, KHSO3, K2SO3, FeSO4, H2S, glucose, citric acid, malic acid 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이는 예시일 뿐, 유사한 효과를 보이는 환원제는 대부분 사용할 수 있다. In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue, the reducing agent used is SO 2 , Na 2 S 2 O 3 , Na 2 S 2 O 5 , NaHSO 3 , Na 2 SO 3 , KHSO 3 , K 2 SO 3 , FeSO 4 , H 2 S, glucose, citric acid, malic acid, or a combination thereof may be included. This is only an example, and most reducing agents showing similar effects can be used.

따라서, 본 발명은 삼원계 폐양극활물질로부터 습식공정으로 리튬을 고농도로 선택적으로 침출하여 회수할 수 있으며, 리튬이 제거된 침출 잔사로부터 기존 공정보다 단순하고 경제적인 방법으로 리튬을 제외한 삼원계 유가금속 즉, 니켈, 코발트, 망간 등을 회수할 수 있다.Therefore, the present invention can selectively leach and recover lithium at a high concentration from the ternary waste cathode active material in a wet process, and recover ternary valuable metals excluding lithium from the leaching residue from which lithium is removed in a simpler and more economical way than conventional processes. That is, nickel, cobalt, manganese, and the like can be recovered.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for explaining the present invention in more detail, and it is to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples according to the gist of the present invention. It will be self-evident.

[실시예][Example]

[표 1]은 실험에 사용된 폐NCM 양극활물질의 원료조성 일례를 나타낸다.[Table 1] shows an example of the raw material composition of the waste NCM cathode active material used in the experiment.

원소element CoCo NiNi MnMn CuCu CaCa AlAl FeFe LiLi LOI(%)LOI (%) 함량(wt%)Content (wt%) 11.2211.22 25.9525.95 9.409.40 0.400.40 0.010.01 0.710.71 0.430.43 5.735.73 4.44.4

삼원계 양극활물질 원료조성, LOI; Loss on IgnitionRaw material composition of ternary cathode active material, LOI; Loss on Ignition

[실시예 1: 리튬침출][Example 1: Lithium Leaching]

본 발명에서 리튬을 침출하기 위해 제안한 반응은 다음과 같다.The reaction proposed for leaching lithium in the present invention is as follows.

산화제로 첨가되는 과망간산칼륨(KMnO4)의 경우, 하기 반응식과 같이 산성조건에서 NCM 양극활물질에 포함된 망간(3가)으로부터 전자 3개를 얻어 4가 상태의 망간산화물, MnO2로 전환되며, 이때 삼원계 양극활물질 Li(Ni,Co,Mn)O2의 층상구조 결정 격자가 일부 붕괴 되거나 변형되어 리튬의 선택적 용해가 가능한 환경이 조성된다.In the case of potassium permanganate (KMnO 4 ) added as an oxidizing agent, three electrons are obtained from manganese (trivalent) included in the NCM cathode active material under acidic conditions as shown in the following reaction formula to convert to tetravalent manganese oxide, MnO 2 , At this time, the layered crystal lattice of the ternary positive electrode active material Li(Ni,Co,Mn)O 2 is partially collapsed or transformed to create an environment in which lithium can be selectively dissolved.

[반응식][reaction formula]

2MnO4 - + 2H+ + 3Mn2O3 -> 8MnO2(s) + H2O2MnO 4 - + 2H + + 3Mn 2 O 3 -> 8MnO 2(s) + H 2 O

(KMnO4 1mol당 3개의 전자 소모)(consumption of 3 electrons per mol of KMnO 4 )

(KMnO4 1mol당 4mol의 MnO2 생성)( 4 mol of MnO 2 generated per 1 mol of KMnO 4 )

이때, 상기 반응의 부반응으로 하기 부반응식과 같이 망간이 일부 용해될 수 있다.At this time, as a side reaction of the reaction, manganese may be partially dissolved as shown in the following side reaction equation.

[부반응식][side reaction formula]

MnO4 - + 8H+ + 5e- = Mn2+ + 4H2OMnO 4 - + 8H + + 5e - = Mn 2+ + 4H 2 O

하기 침출실험의 반응변수는 반응온도, 산화제의 농도, 고액비 등을 변화시켜 최적화시켰으며, pH 조절을 위해 황산을 사용하고, 반응온도의 영향 외에 반응온도는 70 oC 조건에서 실험을 진행하였다.The reaction parameters of the following leaching experiment were optimized by changing the reaction temperature, the concentration of the oxidizing agent, and the solid-liquid ratio, and sulfuric acid was used for pH control, and the reaction temperature was 70 ° C in addition to the effect of the reaction temperature. .

1-1. 반응온도 영향1-1. reaction temperature effect

폐NCM 양극활물질의 반응온도 변화에 따른 리튬의 침출 거동을 조사하였다. 하기 표 2의 반응온도에 따른 침출거동(침출액 조성, 단위: mg/L)에서 반응온도가 25 oC일 때 리튬의 농도는 4,449 mg/L로 약 77%의 침출율을 나타내었으나, 코발트, 니켈, 망간의 침출율도 동시에 증가하는 경향을 나타내었으며, 70 oC로 상승함에 따라 리튬의 침출율은 86%까지 향상되었으며, 망간 및 코발트의 침출율이 상대적으로 감소하는 경향을 나타내었다.The leaching behavior of lithium according to the reaction temperature change of the waste NCM cathode active material was investigated. In the leach behavior according to the reaction temperature in Table 2 below (leachate composition, unit: mg/L), when the reaction temperature was 25 o C, the concentration of lithium was 4,449 mg/L, showing a leach rate of about 77%, but cobalt, The leaching rates of nickel and manganese also showed a tendency to increase at the same time. As the temperature rose to 70 o C, the leaching rates of lithium improved to 86%, and the leaching rates of manganese and cobalt showed a relatively decreasing tendency.

반응온도(oC)Reaction temperature ( o C) CoCo NiNi MnMn CuCu CaCa AlAl FeFe LiLi 2525 2,2652,265 6,6966,696 2,3262,326 NDND 3.03.0 129.2129.2 NDND 4,4494,449 7070 1,7301,730 6,3676,367 8.88.8 NDND 2.92.9 111.2111.2 NDND 4,7824,782

(단위: mg/L)(Unit: mg/L)

1-2. 산화제(KMnO1-2. Oxidizing agent (KMnO 44 ) 첨가량 ) added amount

과망간산칼륨(KMnO4)을 산화제로 사용하여 수용액 중 산화제 첨가량에 따른 리튬의 침출거동(침출액 조성, 단위: mg/L)을 하기 표 3에 나타내었다. Table 3 below shows lithium leaching behavior (leaching composition, unit: mg/L) according to the amount of oxidizing agent added in an aqueous solution using potassium permanganate (KMnO 4 ) as an oxidizing agent.

산화제 첨가당량이 증가함에 따라 리튬의 침출율은 1 당량일 때, 83%에서 2 당량일 때 96%까지 향상되었다. 한편, 1 당량의 산화제를 첨가하였을 때, 코발트 및 니켈의 침출율은 각각 22%와 44%까지 침출되어 리튬의 선택성이 다소 감소하는 경향을 나타내었으며, 1.5당량 이상에서 코발트 및 니켈의 침출율은 각각 9%와 23%로 감소하였다.As the amount of added equivalent of the oxidizing agent increased, the leaching rate of lithium improved from 83% at 1 equivalent to 96% at 2 equivalent. On the other hand, when 1 equivalent of the oxidizing agent was added, the leaching rates of cobalt and nickel were leached up to 22% and 44%, respectively, indicating a slight decrease in the selectivity of lithium. At 1.5 equivalent or more, the leaching rates of cobalt and nickel decreased to 9% and 23%, respectively.

산화제 당량Oxidant equivalent CoCo NiNi MnMn CuCu CaCa AlAl FeFe LiLi 1One 2,7732,773 10,57010,570 0.80.8 NDND 1.91.9 129.2129.2 NDND 4,5324,532 1.51.5 1,7301,730 6,3676,367 8.88.8 NDND 2.92.9 111.2111.2 NDND 4,9824,982 22 1,1941,194 6,0356,035 0.50.5 NDND 2.92.9 147.5147.5 NDND 5,4905,490

(단위: mg/L)(Unit: mg/L)

1-3. 수침출 pH 변화1-3. water leaching pH change

수침출 pH 변화에 따른 리튬의 침출 거동(침출액 조성, 단위: mg/L)을 조사하였다. 양극 활물질분말을 물과 혼합한 경우 pH 11 이상으로 알칼리성을 나타내었으며, 산성으로 pH를 낮추기 위해 황산을 첨가하였다. 하기 표 4에 나타낸 바와 같이 수침출 pH가 감소할수록, 즉 산성영역으로 갈수록 리튬의 침출율이 증가하여, pH 2.5에서 리튬의 침출율은 96%까지 향상되었다.The leaching behavior of lithium (leaching liquid composition, unit: mg/L) according to the change in water leaching pH was investigated. When the cathode active material powder was mixed with water, it showed alkalinity at pH 11 or higher, and sulfuric acid was added to lower the pH to acidity. As shown in Table 4 below, the leaching rate of lithium increased as the water leaching pH decreased, that is, toward the acidic region, and the leaching rate of lithium increased to 96% at pH 2.5.

이는, 일반적으로 산성과 알칼리 영역에서 산화제와 양극활물질 내 망간의 반응이 하기와 같이 진행될 것으로 예측되며, 산성영역으로 갈수록 산화력이 증가하는 경향을 가지기 때문에 산화력이 우수한 산성영역에서 리튬의 침출율이 향상된 것으로 판단된다. In general, it is expected that the reaction between the oxidizing agent and manganese in the cathode active material in the acidic and alkaline regions will proceed as follows, and since the oxidizing power tends to increase toward the acidic region, the leaching rate of lithium is improved in the acidic region where the oxidizing power is excellent. It is judged to be

(산성영역) MnO4 - + 4H+ + 3e- = MnO2(s) + 2H2O, Eo = 1.70V(Acid area) MnO 4 - + 4H + + 3e - = MnO 2(s) + 2H 2 O, E o = 1.70V

(알칼리영역) MnO4 - + 2H2O + 3e- = MnO2(s) + 4OH-, Eo = 0.59V(alkaline area) MnO 4 - + 2H 2 O + 3e - = MnO 2(s) + 4OH - , E o = 0.59V

pHpH CoCo NiNi MnMn CuCu CaCa AlAl FeFe LiLi 10.510.5 4.44.4 2.52.5 NDND NDND NDND NDND NDND 1,5051,505 5.05.0 NDND 1,6271,627 0.180.18 NDND 3.83.8 NDND NDND 3,6293,629 2.52.5 1,1941,194 6,0356,035 0.50.5 NDND 2.92.9 147.5147.5 NDND 5,4905,490

(단위: mg/L)(Unit: mg/L)

1-4. 고액비 변화1-4. high cost change

수침출의 고액비(폐 NCM과 수용액) 변화에 따른 리튬의 침출거동(침출액 조성, 단위: mg/L)을 나타내었다. 고액비가 10에서 5로 감소함에 따라 리튬의 침출율은 86%에서 83%로, 코발트의 침출율은 13%에서 5%로 감소하였으며, 니켈의 침출율은 변화없었다.The leaching behavior of lithium (leaching liquid composition, unit: mg/L) according to the change in the solid-liquid ratio (waste NCM and aqueous solution) of water leaching was shown. As the solid-liquid ratio decreased from 10 to 5, the leaching rate of lithium decreased from 86% to 83%, the leaching rate of cobalt decreased from 13% to 5%, and the leaching rate of nickel did not change.

고액비(L/S)High cost (L/S) CoCo NiNi MnMn CuCu CaCa AlAl FeFe LiLi 1010 1,7301,730 6,3676,367 8.88.8 NDND NDND 111.2111.2 NDND 4,7824,782 55 1,3911,391 16,63016,630 0.50.5 NDND 9.99.9 192.6192.6 NDND 10,85010,850

(단위: mg/L)(Unit: mg/L)

따라서, 실시예 1에 따라 과망간산칼륨(KMnO4)을 산화제로 이용하여 폐 NCM 양극활물질로부터 리튬을 침출했을 때, 반응온도 70℃, 2 당량의 산화제, pH 2.5, 고액비(L/S) 5의 조건에서 리튬의 침출율은 96%이상으로 회수할 수 있었으며, 기타 유가금속 즉, 코발트, 니켈 및 망간의 침출율은 28%이하로 낮아 선택적으로 리튬을 회수할 수 있음을 확인하였다. 리튬과 함께 침출된 코발트, 니켈 등은 하기 중화공정(실시예 3)을 통해 선택적으로 회수 가능하였다.Therefore, when lithium was leached from the waste NCM cathode active material using potassium permanganate (KMnO 4 ) as an oxidizing agent according to Example 1, the reaction temperature was 70 ° C, 2 equivalents of oxidizing agent, pH 2.5, solid-liquid ratio (L / S) 5 Under the conditions of , the leaching rate of lithium was 96% or more, and the leaching rates of other valuable metals, that is, cobalt, nickel, and manganese were low at 28% or less, confirming that lithium could be recovered selectively. Cobalt, nickel, etc. leached together with lithium could be selectively recovered through the neutralization process (Example 3) below.

[실시예 2: 잔사 분석][Example 2: Residue Analysis]

상기 실시예 1에 따른 리튬 침출후 감압여과를 통해 분리한 잔사를 XRD(X-ray diffraction)로 분석하였다. The residue separated through vacuum filtration after lithium leaching according to Example 1 was analyzed by XRD (X-ray diffraction).

리튬의 침출후 회수된 잔사의 XRD 분석결과를 도 4에 나타내었다. 도 3의 원시료 조성 Li(NixCoyMnz)O2과 비교하여, 망간의 경우 대부분 이산화망간(MnO2)로 전환된 것을 볼 수 있으며, 코발트와 니켈의 경우 각각 LiCoO2와 LiNiO2로 리튬과 결합된 형태로 잔존하는 것으로 분석되었다.The results of XRD analysis of the residue recovered after lithium leaching are shown in FIG. 4 . Compared to the raw material composition Li(Ni x Co y Mn z )O 2 of FIG. 3, in the case of manganese, it can be seen that most of them are converted to manganese dioxide (MnO 2 ), and in the case of cobalt and nickel, LiCoO 2 and LiNiO 2 respectively. It was analyzed to remain in a form bound to lithium.

[실시예 3: 불순물 제거][Example 3: Impurity Removal]

상기 실시예 1과 같이 리튬 침출액에 리튬을 제외한 불순물(Co, Ni, Al 등) 제거를 위해 Li 침출여액(pH 2.2) 1L 용액에 Na2CO3 40g을 첨가하여 pH 9~10 범위로 중화하였다. 중화 후, 리튬은 손실 없이 99.9%로 수득하였으며, 수득한 침전물은 여액에 포함된 코발트와 니켈이 포함된 탄산화물로, 이는 상기 실시예 2와 같이 리튬 침출후 분리한 잔사와 함께 처리하여 손실 없이 코발트, 니켈, 망간 등의 유가금속 회수가능 하였다.As in Example 1, in order to remove impurities (Co, Ni, Al, etc.) except for lithium in the lithium leachate, 40 g of Na 2 CO 3 was added to a 1L solution of the Li leachate (pH 2.2) to neutralize to a pH in the range of 9 to 10. . After neutralization, 99.9% of lithium was obtained without loss, and the obtained precipitate was a carbonate containing cobalt and nickel contained in the filtrate, which was treated together with the residue separated after lithium leaching as in Example 2 without loss. Valuable metals such as cobalt, nickel, and manganese could be recovered.

구분division CoCo NiNi MnMn CuCu CaCa AlAl FeFe LiLi pHpH 침출여액leachate 972972 5,3285,328 211211 0.080.08 3.13.1 58.158.1 NDND 5,3345,334 2.22.2 중화후After neutralization 0.20.2 NDND 0.40.4 NDND 55 NDND NDND 5,3305,330 9.39.3

(단위: mg/L)(Unit: mg/L)

[실시예 4: 탄산리튬 회수][Example 4: Lithium carbonate recovery]

상기 실시예 3과 같이 리튬 침출여액 중화후, 90 oC 온도에서 가열 농축하고, Na2CO3를 리튬의 농도기준으로 1.5 당량까지 첨가하여 탄산리튬을 회수하였다. 회수된 탄산리튬 내 공침된 나트륨을 제거하기 위해 90 oC에서 고액비(탄산리튬과 물; L/S) 3:1 비율로 2회 수세척 후 98.4% 순도의 탄산리튬을 회수하였다.After neutralizing the lithium leaching filtrate as in Example 3, heating and concentrating at a temperature of 90 ° C, and adding up to 1.5 equivalents of Na 2 CO 3 based on the concentration of lithium to recover lithium carbonate. In order to remove co-precipitated sodium in the recovered lithium carbonate, lithium carbonate of 98.4% purity was recovered after washing twice with water at a solid-liquid ratio (lithium carbonate and water; L/S) of 3:1 at 90 ° C.

구분division CoCo NiNi MnMn CuCu CaCa AlAl FeFe NaNa LiLi 탄산리튬 내 성분
(mg/kg)
Ingredients in Lithium Carbonate
(mg/kg)
NDND NDND 1.71.7 NDND 8686 NDND NDND 8,0608,060 184,800184,800

[실시예 5: 코발트, 니켈침출] [Example 5: Cobalt, nickel leaching]

[표 8]는 실험에 사용된 리튬 선 침출 후 취득된 잔사의 조성을 나타낸다.[Table 8] shows the composition of the residue obtained after lithium pre-leaching used in the experiment.

원소element CoCo NiNi MnMn CuCu CaCa AlAl FeFe LiLi 함량(wt%)Content (wt%) 9.969.96 24.4324.43 11.9611.96 0.0030.003 0.790.79 0.200.20 0.030.03 1.351.35

* 잔사 조성* Residue composition

8-1. 반응온도 영향8-1. reaction temperature effect

침출시 반응온도 변화에 따른 코발트, 니켈, 망간의 침출 거동을 조사하였다. 대상 온도는 25℃, 50℃, 70℃로 설정했으며, 반응 시간은 3시간으로 고정하였다. 실험 결과, 반응온도가 증가함에 따라 코발트와 니켈의 침출율은 증가했으며 망간의 침출율은 감소하는 것을 확인하였다. The leaching behavior of cobalt, nickel, and manganese according to the reaction temperature change during leaching was investigated. The target temperature was set to 25 ° C, 50 ° C, and 70 ° C, and the reaction time was fixed at 3 hours. As a result of the experiment, it was confirmed that the leaching rate of cobalt and nickel increased as the reaction temperature increased, and the leaching rate of manganese decreased.

반응온도 25℃ 기준 각 침출율은 코발트 36%, 니켈 37%, 망간 45%이며, 50℃ 기준인 경우, 코발트 55%, 니켈 46%, 망간 27%이며, 70℃ 기준일 때 코발트 96%, 니켈 97%, 망간 1.2%인 것을 확인하였다. 해당 결과는 도 5에 나타내었다.Based on the reaction temperature of 25℃, each leaching rate is 36% of cobalt, 37% of nickel, and 45% of manganese, and at 50℃, 55% of cobalt, 46% of nickel, and 27% of manganese, and at 70℃, 96% of cobalt and nickel. It was confirmed that 97% and 1.2% manganese. The results are shown in FIG. 5 .

8-2. pH 변화에 따른 영향8-2. Effects of pH change

침출시 pH 변화에 따른 코발트, 니켈, 망간의 침출 거동을 조사하였다. pH 조정을 위해 황산을 이용했으며, 반응 시간은 3시간으로 고정하였다. pH 1.5 기준 코발트, 니켈, 망간의 침출율은 각 62%, 51%, 53%였던 반면, pH 1 이하로 조정시 코발트와 니켈의 침출율은 각 96%, 97%까지 향상되었으며, 망간의 침출율은 1.16%로 감소하는 경향을 나타내었다. 해당 결과는 도 6에 나타내었다.The leaching behavior of cobalt, nickel, and manganese according to pH change during leaching was investigated. Sulfuric acid was used for pH adjustment, and the reaction time was fixed at 3 hours. Based on pH 1.5, the leaching rates of cobalt, nickel, and manganese were 62%, 51%, and 53%, respectively, whereas when adjusted to pH 1 or lower, the leaching rates of cobalt and nickel improved to 96% and 97%, respectively, and manganese leaching The rate showed a decreasing trend to 1.16%. The results are shown in FIG. 6 .

8-3. 환원제 비율8-3. reducing agent ratio

SO2, Na2S2O3, Na2S2O5, NaHSO3, Na2SO3, KHSO3, K2SO3, FeSO4, H2S, glucose, citric acid, malic acid 중 어느 하나의 환원제를 사용하였다. Any one of SO 2 , Na 2 S 2 O 3 , Na 2 S 2 O 5 , NaHSO 3 , Na 2 SO 3 , KHSO 3 , K 2 SO 3 , FeSO 4 , H 2 S, glucose, citric acid, malic acid of reducing agent was used.

환원제 농도를 0.08, 0.13, 0.16, 0.21M 첨가하여 pH 1.5, 고액비 10, 반응온도 70℃, 반응시간 3시간에서 침출 거동을 조사하였다.Leaching behavior was investigated at pH 1.5, solid-liquid ratio of 10, reaction temperature of 70 °C, and reaction time of 3 hours by adding reducing agent concentrations of 0.08, 0.13, 0.16, and 0.21 M.

[표 9]에 나타난 것처럼 환원제가 증가할수록 여액 내의 코발트, 니켈, 망간의 함량이 증가하는 것을 확인하였다. 해당 결과는 도 7에 침출율로 나타내었다.As shown in [Table 9], it was confirmed that the content of cobalt, nickel, and manganese in the filtrate increased as the reducing agent increased. The results are shown as leaching rates in FIG. 7 .

환원제 몰농도Reducing agent molarity Co(코발트)Co (cobalt) Ni(니켈)Ni (nickel) Mn(망간)Mn (manganese) 0.08 M0.08M 26982698 78997899 976976 0.13 M0.13M 35963596 93959395 38623862 0.16 M0.16M 38193819 96029602 61806180 0.21 M0.21M 47644764 1084310843 86088608

* 단위 : mg/L* Unit: mg/L

8-4. 고액비 변화8-4. high cost change

망간의 침출이 저하되는 pH 1 이하로 설정 후, 반응온도 70℃, 반응 시간 3시간으로 고정하고 환원제는 0.16 M 첨가 후, 고액비에 따른 코발트, 니켈, 망간의 침출 거동을 조사하였다.After setting the pH to 1 or less, which reduces manganese leaching, the reaction temperature was fixed at 70 ° C and the reaction time was 3 hours, and after adding 0.16 M of a reducing agent, the leaching behavior of cobalt, nickel, and manganese according to the solid-liquid ratio was investigated.

고액비 기준 5인 경우 각 침출율은 코발트 84%, 니켈 81%, 망간 0.03%였으며, 고액비 기준 10인 경우 코발트 96%, 니켈 97%, 망간 1.2%로 확인되었다. 해당 결과는 도 8 및 [표 10]에 나타나있다.In the case of the high-liquid ratio of 5, each leaching rate was 84% of cobalt, 81% of nickel, and 0.03% of manganese, and it was confirmed that the leaching rate of 10 was 96% of cobalt, 97% of nickel, and 1.2% of manganese. The results are shown in Figure 8 and [Table 10].

CoCo NiNi MnMn 잔사 내 함량(wt%)Content in residue (wt%) 1.341.34 2.952.95 43.143.1 여액 내 농도(mg/L)Concentration in filtrate (mg/L) 46064606 1253812538 68.668.6

[실시예 6: 불순물 제거 공정][Example 6: Impurity Removal Process]

고액비 10 기준으로 침출을 진행하여 회수된 여액으로부터 불순물을 제거하기 위해 용매추출 진행하였다. pH를 3.5로 올리기 위하여 고액비가 6인 칼슘 중화제를 첨가하여 진행하였다. [표 11]은 중화 후 여액의 조성을 나타낸 것이다.Solvent extraction was performed to remove impurities from the filtrate recovered by leaching based on a high-liquid ratio of 10. In order to raise the pH to 3.5, a calcium neutralizing agent having a solid-liquid ratio of 6 was added and proceeded. [Table 11] shows the composition of the filtrate after neutralization.

CoCo NiNi MnMn CuCu FeFe AlAl CaCa MgMg pHpH 4778.14778.1 10146.710146.7 43.243.2 1.41.4 29.829.8 5.85.8 574.0574.0 96.696.6 3.53.5

* 단위 : mg/L* Unit: mg/L

추출용매는 유기인산염계(phosphonic acid)의 추출제(상표명 DE2PHA)를 사용했으며 유기용매 농도 5%, 비누화 농도 30%, 추출단수 1단, 역추출 1단으로 하여 진행하였다. [표 12]에 나타난 것처럼 Fe, Al은 100% 추출 되었으며, Mn 76%, Ca 90% 추출된 것을 확인하였다.As the extraction solvent, a phosphonic acid extractant (trade name DE2PHA) was used, and the organic solvent concentration was 5%, the saponification concentration was 30%, and the extraction stage was 1 stage and the back extraction stage was 1 stage. As shown in [Table 12], it was confirmed that 100% of Fe and Al were extracted, and 76% of Mn and 90% of Ca were extracted.

CoCo NiNi MnMn CuCu FeFe AlAl CaCa MgMg 추출 후 여액Filtrate after extraction 3997.53997.5 9807.519807.51 10.9610.96 1.361.36 -- -- 61.1561.15 88.9088.90 추출율(%)Extraction rate (%) 4.64.6 0.700.70 75.7675.76 13.9213.92 100100 100100 89.7589.75 10.9610.96

* 단위 : mg/L * Unit: mg/L

본 발명은 삼원계 폐양극활물질로부터 습식공정으로 리튬을 고농도로 선택적으로 침출하여 회수할 수 있으며, 리튬이 제거된 침출 잔사로부터 기존 공정보다 단순하고 경제적인 방법으로 리튬을 제외한 삼원계 유가금속 즉, 니켈, 코발트, 망간 등을 회수할 수 있다.The present invention can selectively leach and recover lithium at a high concentration from the ternary waste cathode active material in a wet process, and from the leaching residue from which lithium is removed, ternary valuable metals other than lithium are obtained in a simpler and more economical way than conventional processes, that is, Nickel, cobalt, manganese, etc. can be recovered.

Claims (16)

산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계; 및
상기 침출된 유효 금속을 회수하는 단계;를 포함하고,
상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계;는, 산화제를 추가적으로 더 투입하여 리튬을 선택적으로 침출시키는 단계이고,
리튬의 선택적 침출 이후에 수득되는 잔사를 수득하는 단계; 및
상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;를 더 포함하는 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
Leaching effective metals in the waste cathode active material powder under acidic conditions; and
Recovering the leached effective metal; includes,
Leaching the effective metal in the waste cathode active material powder under the acidic condition; is a step of selectively leaching lithium by further adding an oxidizing agent,
obtaining a residue obtained after selective leaching of lithium; and
The method of selectively recovering valuable metals from the waste cathode active material, further comprising: reducing and leaching the residue to selectively leach cobalt and nickel except for manganese.
제1항에 있어서,
상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;이후, 수득된 여액에 불순물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것인 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 1,
Selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reducing leaching the residue; Thereafter, removing impurities from the obtained filtrate.
제1항에 있어서,
상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서,
반응 온도는 50 내지 90℃인 것인 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 1,
In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue;
A method for selectively recovering a valuable metal from a waste cathode active material having a reaction temperature of 50 to 90 ° C.
제1항에 있어서,
상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서,
침출 pH 조건은 1이하인 것인 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 1,
In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue;
A method for selectively recovering valuable metals from waste cathode active material, wherein the leaching pH condition is 1 or less.
제1항에 있어서,
상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서,
환원제의 농도는 0.05 내지 0.3M인 것인 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 1,
In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue;
A method for selectively recovering valuable metals from waste cathode active material, wherein the concentration of the reducing agent is 0.05 to 0.3M.
제1항에 있어서,
상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서,
고액비 조건은 5 이상인 것인 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 1,
In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue;
A method for selectively recovering valuable metals from waste cathode active material, wherein the high-liquid ratio condition is 5 or more.
제1항에 있어서,
상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에서,
사용하는 환원제는 SO2, Na2S2O3, Na2S2O5, NaHSO3, Na2SO3, KHSO3, K2SO3, FeSO4, H2S, glucose, citric acid, malic acid, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 1,
In the step of selectively leaching cobalt and nickel excluding manganese by reduction leaching of the residue;
A method for selectively recovering valuable metals, wherein the reducing agent used includes SO2, Na2S2O3, Na2S2O5, NaHSO3, Na2SO3, KHSO3, K2SO3, FeSO4, H2S, glucose, citric acid, malic acid, or a combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 산화제는 KMnO4, Na2S2O8, O3, NaClO3로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 1,
The oxidizing agent is a method for selectively recovering valuable metals from waste cathode active material, characterized in that at least one selected from the group consisting of KMnO 4 , Na 2 S 2 O 8 , O 3 , NaClO 3 .
제1항에 있어서,
상기 산화제의 영향으로 폐양극활물질 내 망간은 이산화망간 형태로 석출되고, 니켈 및 코발트를 리튬산화물 형태로 석출되는 것인 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 1,
Manganese in the waste cathode active material is precipitated in the form of manganese dioxide and nickel and cobalt are precipitated in the form of lithium oxide due to the influence of the oxidizing agent.
제1항에 있어서,
상기 상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계;는,
30 내지 90 ℃의 온도에서 침출하는 것을 특징으로 하는 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 1,
Leaching the effective metal in the waste cathode active material powder in the acidic condition;
A method for selectively recovering valuable metals from waste cathode active material, characterized in that leaching at a temperature of 30 to 90 ° C.
제1항에 있어서,
상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계;는,
pH 2 내지 7에서 침출하는 것을 특징으로 하는 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 1,
Leaching the effective metal in the waste cathode active material powder in the acidic condition;
A method for selectively recovering valuable metals from waste cathode active material, characterized in that leaching at pH 2 to 7.
제1항에 있어서,
상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계;는,
1 내지 4시간 동안 침출하는 것을 특징으로 하는 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 1,
Leaching the effective metal in the waste cathode active material powder in the acidic condition;
A method for selectively recovering valuable metals from waste cathode active material, characterized in that leaching for 1 to 4 hours.
제1항에 있어서,
상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계;는,
고액비 5 내지 10으로 침출하는 것을 특징으로 하는 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 1,
Leaching the effective metal in the waste cathode active material powder in the acidic condition;
A method for selectively recovering valuable metals from waste cathode active materials, characterized in that leaching at a high-liquid ratio of 5 to 10.
제1항에 있어서,
상기 산성 조건에서 폐양극활물질 분말 내 유효 금속을 침출시키는 단계; 이후에,
리튬 침출 여액에 중화제를 첨가하여 리튬 외 불순물을 침전시켜 제거하는 단계;를 더 포함하는 것인 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 1,
Leaching effective metals in the waste cathode active material powder under the acidic conditions; Since the,
Adding a neutralizing agent to the lithium leaching filtrate to precipitate and remove impurities other than lithium;
제 14항에 있어서,
상기 불순물은 탄산화물((Co-Ni-Mn)CO3)이나 수산화물((Co-Ni-Mn)(OH)2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 14,
A method for selectively recovering valuable metals from waste cathode active material, characterized in that the impurities include carbonate ((Co-Ni-Mn)CO 3 ) or hydroxide ((Co-Ni-Mn)(OH) 2 ). .
제15항에 있어서,
상기 불순물은,
상기 잔사를 환원침출하여 망간을 제외한 코발트 및 니켈을 선택적으로 침출하는 단계;에 재활용되는 것인 폐양극활물질로부터 유가 금속을 선택적으로 회수하는 방법.
According to claim 15,
The impurity is
Reduction leaching of the residue to selectively leach cobalt and nickel excluding manganese;
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