KR20230102136A - 폐배터리 방전 프로세스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐배터리 재활용을 위한 폐배터리의 방전 프로세스에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐배터리(사용 후 배터리)를 재사용 또는 재활용하기 이전에 폐배터리의 충전 상태를 확인하고, 상기 폐배터리를 안전하고 비용 효과적으로 방전시키는 프로세스에 관한 것이다.

Description

폐배터리 방전 프로세스 {DISCHARGING PROCESS OF WASTE BATTERY}
본 발명은 폐배터리 재활용을 위한 폐배터리의 방전 프로세스에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐배터리(사용 후 배터리)를 재사용 또는 재활용하기 이전에 폐배터리의 안정성, 충전 상태, 및 잔여 수명 등을 확인하고, 상기 폐배터리를 안전하고 비용 효과적으로 방전시키는 프로세스에 관한 것이다.
최근 국내 탄소중립 선언과 국내 전기차 보급 정책 등으로 인해 대용량 리튬이온 배터리의 사용이 증가하고 있다. 이러한 배터리는 큰 전기용량이 필요한 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 많이 사용되고 있으며, 전기자동차는 탄소중립을 통한 기후변화 문제 해결 수단 중 가장 각광받고 있다. 그러나, 이와 같은 다수의 배터리의 사용으로 인해 추후 전기자동차에서 발생하는 폐배터리의 발생량이 향후 급격히 증가할 것으로 예상되고 있는 실정이다.
한편 친환경 차량에 사용되다가 회수된 차량용 폐배터리를 바로 폐기(예컨대, 자원 회수 등)할 경우 2024년도부터 년간 엄청난 비용의 폐기 비용이 소요되며, 2031년도 이후부터는 폐기 비용이 폭발적으로 증가할 것으로 예측된다. 이러한 문제를 일부 해소하기 위해서는 상기 차량용 폐배터리를 다른 응용 분야에 재활용해야 하지만, 폐배터리 내부에 남아있는 에너지, 즉 기충전된 전력으로 인해 안전성을 보장할 수 없어 언제든 화재나 폭발의 위험성을 지닌 차량용 폐배터리를 어떠한 보증도 없이 그대로 재활용하기란 기술적으로나 사회적으로 매우 위험한 문제점을 지니고 있다.
따라서, 폐배터리의 재활용/재사용을 위해서는 폐배터리 내 남아있는 에너지 즉, 기 충전된 전력을 일정 SOC 이하로 낮추거나, 완전히 방전시킬 필요가 있다.
종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해 친환경 자동차로부터 폐배터리를 회수한 뒤 폐배터리를 염수에 담그어 폐배터리 내 기충전된 전력을 방전시키는 방법(염수 침전법)이 주로 사용되고 있었으나 (한국공개특허 10-2019-0018340), 염수에 폐배터리를 담그어 방전시키는 방법은 많은 시간이 필요하고, 친환경 자동차로부터 회수된 폐배터리(중대형 폐배터리)를 염수에 담그기 위해서는 큰 공간이 필요하여 비용 효과적이지 않은 문제가 있으며, 폐염수를 다시 처리하는데 환경 오염을 일으킬 수 있다는 문제가 있었다.
또한, 전류를 이용하는 방전 장치를 사용하여 폐배터리를 단순 방전시키더라도, 배터리를 이루고 있는 소재(양극재, 음극재 전해질 등)와 설계 특성을 고려하지 않고 무작정 배터리 내 에너지를 소거하는 방전을 진행할 경우, 폐배터리 내 심각한 부하를 일으킬 수 있다. 예컨대, 폐배터리를 단순히 급속 방전시킨다면 폐배터리 내 전해액 부반응으로 인한 스웰링(swelling) 현상 및 과방전으로 인해 배터리 내 발열 현상이 발생하여 열폭주 및 발화(ignition)를 일으키는 등 안전상의 문제가 발생할 수 있으며, 방전 후에도 개방전압으로 인한 안전문제가 발생할 수 있다.
따라서, 폐배터리의 재사용 또는 재활용하기 이전에 폐배터리에 남아 있는기충전된 전력 즉, 잔여 에너지를 안전하고 환경 친화적으로 방전시켜, 폐배터리를 용이하게 재사용 또는 재활용할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
1. 대한민국 공개 특허 10-2019-0018340 (2019.2.22) 2. 대한민국 공개 특허 10-2019-0018342 (2019.2.20)
본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는 폐배터리의 재사용 또는 재활용 이전에 폐배터리에 기충전된 전력을 방전시키는 배터리 방전 프로세스를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는 종래의 염수 침전법을 대체하여 비용 효과적이고, 안전하며, 친환경적으로 폐배터리를 방전시킬 수 있는 방전 프로세스를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 제3 과제는 폐배터리의 종류 및 전극을 이루고 있는 소재(양극재, 음극재, 전해질 등) 및 설계를 고려한 최적의 방전 프로세스를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 해결과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 방전 프로세스는,
(S100) 폐배터리를 준비하는 단계;
(S200) 상기 폐배터리의 전원 단자와 연결되는 연결 단자를 통해 상기 폐배터리를 지정된 제1 방전 전압 또는 제1 방전 SOC까지 방전시키는 단계;
(S300) 상기 폐배터리의 전원 단자와 연결되는 연결 단자를 통해 지정된 제2 방전 전압까지 방전시키는 단계;
(S400) 상기 폐배터리의 전압이 지정된 제2 방전 전압에 도달하는 경우, 정전압(constant voltage)을 인가하는 단계; 및
(S500) 상기 폐배터리에 단락을 발생시켜 잔여 에너지를 소거하는 단계;
를 포함하는, 폐배터리 방전 프로세스를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (S200) 단계의 방전은 제1 전류 크기로 방전되고, 상기 제1 전류 크기는 0.2C(C-rate) 내지 5.0C(C-rate) 바람직하게는 0.5C(C-rate) 내지 3.0C(C-rate)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (S200) 단계의 제1 방전 전압은 단전지 기준으로 0.05 V 내지 3.0 V 바람직하게는 0.1V 내지 2.5V인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (S200) 단계의 제1 방전 SOC는 0% 내지 50%, 바람직하게는 0% 내지 30% 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (S300) 단계의 방전은 제2 전류 크기로 방전되고, 상기 제2 전류 크기는 제1 전류 크기의 10% 내지 50%의 전류 크기, 바람직하게는 20% 내지 30%의 전류 크기인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (S300) 단계의 제2 방전 전압은 단전지 기준으로 0 V 내지 0.5V 바람직하게는 0V 내지 0.1V인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (S400) 단계에서 인가되는 정전압은 제2 방전 전압과 동일한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (S400) 단계의 정전압은 0.005 내지 0.5 C, 또는 0.01 내지 0.1C의 컷오프 전류가 측정될 때까지 인가되는 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
기존의 염수 침전법과 같은 습식 방전법을 통해 폐배터리에 남아있는 잔여 에너지를 방전시키는 방법은 오랜 시간과 많은 비용이 소요될 뿐만 아니라 폐염수 처리 등 환경오염의 문제가 발생해 대량, 대용량 방전의 한계를 가지는 반면, 본 발명에 따른 폐배터리 방전 프로세스는, 건식 방법으로써 상술한 종래 문제점에서 벗어나 빠른 시간 내 방전이 가능하며, 폐염수 처리를 할 필요가 없어 환경 친화적이고, 비용효과적으로 폐배터리를 재활용 또는 재사용할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 폐배터리 방전 프로세스는 배터리의 규격 정보 및 배터리에 포함된 전극 물질 정보 등 배터리 구성물질 및 설계에 따라 변할 수 있는 특성을 종합적으로 고려한 방전 프로세스를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 폐배터리 방전 프로세스는 폐배터리의 보관, 이동, 재사용을 위한 기초 설비로서 활용이 가능하며, 배터리 재사용 및 재활용 산업의 안전성 향상을 기대할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 시스템(100)의 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐배터리 방전 프로세스를 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로, 본 발명의 단계별 방전 프로세스를 전압 곡선을 사용하여 나타낸 것이다.
도 4는 배터리의 방전 시 발생할 수 있는 OCV Rebounding 현상을 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면과 설명을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세히 설명한다. 다만, 하기에 도시되는 도면과 후술되는 설명은 본 발명의 특징을 효과적으로 설명하기 위한 여러 가지 방법 중에서 바람직한 실시 방법에 대한 것이며, 본 발명이 하기의 도면과 설명만으로 한정되는 것은 아니다.
한편, 제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 폐배터리 방전 프로세스를 설명한다.
먼저 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방전 시스템의 블럭 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방전 시스템(100)은 폐배터리(200)에 연결된 단자(140)를 통해 전류를 조정하는 충방전부(110), 전압 측정부(120), 메모리부(130)를 포함한다.
상기 연결부(140)의 연결 단자는 상기 폐배터리의 전원 단자와 전기적으로 연결되며, 상기 연결부(140)는 상기 연결 단자를 통해 상기 폐배터리(200)의 전압 값이나 전류 값을 측정하거나 상기 폐배터리를 충전하거나 방전하기 위한 전기적 회로를 제공한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 것으로, 단계적으로 폐배터리 방전시키는 프로세스를 설명하기 위한 순서도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명은
(S100) 폐배터리를 준비하는 단계;
(S200) 상기 폐배터리의 전원 단자와 연결되는 연결 단자를 통해 상기 폐배터리를 지정된 제1 방전 전압 또는 제1 방전 SOC까지 방전시키는 단계;
(S300) 상기 폐배터리의 전원 단자와 연결되는 연결 단자를 통해 지정된 제2 방전 전압까지 방전시키는 단계;
(S400) 상기 폐배터리의 전압이 지정된 제2 방전 전압에 도달하는 경우, 정전압(constant voltage)을 인가하는 단계; 및
(S500) 상기 폐배터리에 단락을 발생시켜 잔여 에너지를 소거하는 단계;
를 포함하는 폐배터리 방전 프로세스를 제공한다.
그리고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐배터리 방전 프로세스를 반영한 전압 곡선의 일례이다.
한편, 본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에서, 배터리를 방전시키는 방법은 특정 전압까지 정전류로 방전한 뒤 미리 설정된 낮은 전류에 도달할 때까지 정전압으로 방전하는 CC-CV(Constant Current-Constant Volatage) 방식을 이용하며, 본 발명은 그 세부적인 프로세스에 특징이 있다.
이하에서는, 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다.
1. (S100) 폐배터리를 준비하는 단계;
본 발명의 폐배터리의 방전 프로세스를 설명하기에 앞서, 본 발명에서 지칭하는 폐배터리는 친환경 자동차(예컨대, 전기자동차, 수소자동차 등)에서 사용되다가 각각의 이유(예컨대, 점검, 수리, 기간만료, 사고, 폐차 등)로 회수된 차량용 폐배터리를 의미하며, 검사대상 배터리는 배터리 셀 또는 배터리 모듈 또는 배터리 팩 중 하나이다.
본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서, 상기 폐배터리가 배터리 모듈인 경우, 상기 배터리 모듈은 N(N≥2)개의 배터리 셀과, 배터리 제조사가 차량용 배터리 제조 시점에 탑재한 배터리 제조사의 BMS(Battery Management System)를 포함할 수 있으며, 상기 배터리 제조 시점이나 상기 배터리의 차량 탑재 시점에 구비한 차량용 케이스(단, 별도의 케이스 없이 차량에 탑재한 경우 생략 가능)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서, (S100) 단계의 폐배터리를 준비하는 단계는 상기 친환경 차량에서 폐배터리를 회수하고, 상기 폐배터리로부터 상기 배터리 제조사의 BMS와 상기 차량용 케이스(생략 가능)를 분리한 뒤, N개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 준비(또는 입고)하는 단계일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스는 상기 폐배터리를 준비한 후 폐배터리의 사양을 특정하는 단계(S110) 및 폐배터리의 전기흐름 검사를 수행하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 폐배터리의 사양을 선택하는 단계는, 폐배터리를 이루고 있는 구성(양극재, 음극재, 전해질 등)을 고려하여 폐배터리의 종류를 판단하는 단계이다. 배터리의 방전 특성을 나타내는 배터리의 용량-전압 곡선은 양극재와 음극재에 의해 정해지기 때문에 후술하는 제1 방전 전압, 제2 방전 전압과 같은 방전 프로세스의 구체적인 조건을 설정하기 위해서는 폐배터리의 사양을 항시 고려해야 한다.
한편, 전기흐름 검사(S120)은 절연저항 측정 단계(S1121), 전압 측정 단계(S1122) 및 EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) 측정 단계(S1123)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 폐배터리를 방전하기 전에 전기흐름 검사를 수행함으로써, 방전 프로세스를 진행할 폐배터리의 전기적 안전성을 평가하고, 폐배터리의 SOC(State of Charge), SOH(State of Health)를 진단할 수 있다. 이 때, 상기 전기흐름 검사 단계에서 측정된 SOC, SOH는 후속하는 방전 프로세스 조건을 설정하는데 적용된다.
본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스는 상기 폐배터리의 사양 특정 단계 (S110) 및 상기 전기흐름 검사 단계 (S120) 결과를 기초로 최적 방전 프로세스 조건을 설계하는 단계 (S130)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, (S130) 단계에서는 후술하는 제1 방전 전압, 제2 방전 전압, , 정전압, 제1 전류, 제2 전류, 컷오프 전류 등 방전 조건을 설정한다.
2. (S200) 상기 폐배터리의 전원 단자와 연결되는 연결 단자를 통해 상기 폐배터리를 지정된 제1 방전 전압 또는 제1 방전 SOC까지 방전시키는 단계;
본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서, 상기 (S200) 단계는 상기 폐배터리의 연결 단자를 통해 상기 폐배터리의 기 설정된 전압/SOC인, 제1 방전 전압/제1 방전 SOC까지 방전시키는 단계이다. 본 발명에서 상기 (S200) 단계는 폐배터리의 특성, 예컨대, 폐배터리를 이루는 구성(전극 소재)의 종류에 따라 가변될 수 있다.
상술한 바와 같이 친환경 자동차에서 사용되다가 회수된 차량용 폐배터리는 다양한 원인으로 회수되는 것이기에 기 충전된 에너지가 완전히 방전된 상태에서 회수되는 것이 아닐 수 있다. 충전된 배터리는 내부에 저장된 에너지로 인해 외부 충격이나 자극이 발생할 경우, 화재나 폭발의 위험성을 지니고 있기 때문에 어떠한 보증도 없이 그대로 재활용하는 것은 매우 위험하다. 따라서, 상기 (S200) 단계는 폐배터리에 충전되어 있는 에너지의 준위를 낮추기 위해 폐배터리에 연결된 단자를 통해 폐배터리를 방전시키는 단계이다.
본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서, 상기 본 발명의 방전 단계인 (S200) 단계는 폐배터리를 제1 방전 전압 또는 제1 방전 SOC까지 폐배터리를 방전시키는 단계이다. 상기 (S200) 단계는 폐배터리의 충전 에너지를 완전히 방전시키는 것이 아니라, 제1 방전 전압 또는 제1 방전 SOC 까지만 배터리를 방전시키는 단계이다.
한편, 상기 (S200) 단계에서 제1 방전 전압이나 제1 방전 SOC의 의미는 폐배터리의 가역적인 (reversible) 용량 발현이 더 이상 진행되지 않는 한계 방전 전압 또는 한계 방전 SOC를 의미한다.
본 발명에서는 상기 (S200) 단계는 가역적인 용량 발현 영역까지 방전하는 것이기에 상기 (S200) 단계 즉, 제1 방전 전압 또는 제1 방전 SOC까지 방전시킨 뒤, 폐배터리를 재활용/재사용할 수도 있다. 따라서 '재사용 방전 단계'라고도 정의할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서, 상기 가역 용량의 발현 여부는 전지의 설계, 즉, 전극의 양극재와 음극재에 따라 달라질 수 있기 때문에, 제1 방전 전압 또는 제1 방전 SOC는 전지를 구성하고 있는 양극재, 음극재에 따라 가변적으로 설정할 수 있다.
본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서, 폐배터리를 구성하는 양극재 및 음극재를 고려한 제1 방전 전압은 단전지를 기준으로 0.05 V 내지 3.0 V, 바람직하게는 0.1V 내지 2.5V일 수 있다.
본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서, 상기 (S200) 단계의 제1 방전 SOC는 0% 내지 50%, 바람직하게는 0% 내지 30%, 더 바람직하게는 5% 내지 30%인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에서의 전압(voltage)은 양극과 음극의 전위 차로, 단전지 (single cell) 기준으로 측정된 수치를 뜻하며, 배터리 모듈이나 팩에서는 배터리의 구성 (configuration)에 따라 전압 기준이 달라질 수 있다. 예컨대, N (N≥2)개의 단전지가 직렬로 연결된 모듈이나 팩에서의 제1 방전 전압 "단전지 전압*N"이 방전 전압이 될 수 있다.
본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서, 상기 (S200) 단계는 상기 연결 단자를 통해 상기 폐배터리를 제1 전류 크기로 방전시키는 것일 수 있다.
여기서, 상기 제1 전류 크기는 0.5C(C-rate) 내지 5.0C(C-rate), 바람직하게는 0.5C(C-rate) 내지 3.0C(C-rate)의 정전류일 수 있다.
여기서, C-rate는 current rate의 줄임말로서, 배터리 용량에 따른 전류의 충방전율을 나타내는 배터리 관련 특성을 의미하고, 실제 단위는 [ /h]이며, 일반적으로는 [C]의 단위가 사용된다. 예를 들어, 배터리의 용량(1시간 동안 사용할 수 있는 전류량)이 1000 mAh이고, 충방전 전류가 1 A인 경우, C-rate은 1 C 1 A / 1000 mAh = 1 [/h]가 된다.
한편, 본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서, 상기 (S200) 단계는 상기 제1 방전 전압 또는 제1 방전 SOC까지 방전시킨 뒤 상기 셀 연결 단자를 통해 상기 배터리에 구비된 N개의 배터리 셀 간 충전 전압 차이를 포함하는 밸런스 정보를 확인하는 (S210) 단계 및 상기 밸런스 정보에 포함된 N개의 배터리셀 간 충전 전압 차이가 기 설정된 충전 전압 유효 밸런스 범위에 매칭되는지 판단하는 밸런스 검사를 수행하는 (S220) 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, (S210) 단계 및 (S220) 단계를 포함시킴으로써, 배터리 모듈을 이루고 있는 N개 배터리 셀 간의 전압 편차를 확인할 수 있다. 이와 같이 배터리 셀 간의 전압 편차를 확인함으로써, 후속하여 진행되는 (S300) 단계의 방전 프로세스를 보다 안전하게 수행할 수 있다.
3. (S300) 상기 폐배터리의 전원 단자와 연결되는 연결 단자를 통해 지정된 제2 방전 전압까지 방전시키는 단계;
본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서, 상기 (S300) 단계는 상기 폐배터리의 연결 단자를 통해 상기 폐배터리를 방전시키는 단계이다.
구체적으로, 상기 (S300) 단계는 상기 폐배터리의 연결 단자를 통해 상기 폐배터리를 지정된 전압 또는 SOC까지 방전시키는 단계이다.
본 발명에 따른 폐배터리 방전 프로세스에 있어서, 상기 (S300) 단계는 (S200) 단계에서 제1 방전 전압 또는 제1 방전 SOC까지만 방전된 폐배터리를 다시 한번 더 방전시키는 단계로써, 지정된 방전 전압, 즉 제2 방전 전압까지 한번 더 방전시키는 단계이다. 본 발명에서 상기 (S300) 단계는 가역 용량이 발현되지 않는 영역, 예컨대 SOC 0 이하의 영역에서 방전시키는 단계일 수있다. 따라서, 폐배터리의 가역적인 용량발현 전압구간을 벗어나 방전시킨다는 의미에서 '비가역 방전 단계'라고도 정의할 수도 있다.
폐배터리를 제2 방전 전압까지 방전시킴으로써, 폐배터리에 충전된 에너지 대부분이 방전된다. 여기서, (S300) 단계는 (S200) 단계와 구별되는 단계이다.
한편, 상기 (S300) 단계의 제2 방전 전압은 기 충전된 에너지를 대부분 방전시킬 수 있는 전압으로, 양극과 음극의 에너지 준위 차이가 0에 가까워지는 전압일 수 있다. 본 발명에 따른 제2 방전 전압은 단전지 기준으로 0 V 내지 0.1V, 바람직하게는 0 V 내지 0.05V일 수 있다.
본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서 상기 (S300) 단계는 상기 연결 단자를 통해 상기 폐배터리를 제2 전류 크기로 방전시키는 것일 수 있다.
이 때 상기 제2 전류 크기는, 제1 전류 크기의 10% 내지 50%의 전류 크기, 바람직하게는 20% 내지 30%의 전류 크기로 방전하는 것일 수 있다.
이와 같이, (S300) 단계의 제2 전류 크기는 제1 전류 크기보다 작은 전류를 인가해주는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 방전 프로세스에 있어서, 폐배터리를 제1 방전 전압/SOC 영역까지 방전시킨 후, 다시 한번 제2 방전 전압까지 방전시키는 것은 폐배터리 내 전기화학적으로 산화/환원 반응을 일으켜 폐배터리를 방전시키는 것이다. 이 때, 제2 방전 전압에 가까워질수록 음극은 강한 산화 (oxidation) 분위기, 양극은 환원 분위기가 형성되는데, 이와 같은 특성을 지닌 저전압 영역에서 낮은 전류 크기로 방전을 진행함으로써, 폐배터리 내 전해질의 산화/환원 반응을 줄일 수 있다. 또한, 제2 방전 전압근처부터 느린 전류로 방전시킴으로써, 제2 방전 전압 근처에서 발생할 수 있는 안전사고를 방지할 수 있다.
일반적으로, 다수의 폐배터리가 있고, 방전 장치가 제한적일 경우, 폐배터리의 재활용 효율을 높이기 위해 폐배터리가 방전된 상태를 갖도록 빠른 방전 전류를 인가하여 급속 방전시킬 수도 있다. 그러나 재활용 효율을 높이고자 단순히 폐배터리를 급속 방전시킨다면 급속방전에 의해 전해액 부반응의 가속을 초래해 배터리의 스웰링 및 발열을 동반한 안전사고를 초래할 수 있다.
4. (S400) 상기 폐배터리의 전압이 지정된 제2 방전 전압에 도달하는 경우, 정전압(constant voltage)을 인가하는 단계;
본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서 상기 (S400) 단계는, 상기 폐배터리의 전압이 제2 방전 전압에 도달하는 경우, 상기 폐배터리에 정전압(constant voltage)을 인가하는 것을 특징으로 한다.
상기 (S400) 단계에서 정전압(constant voltage)을 인가함으로써, 폐배터리의 완전한 방전(fully-discharged)을 유도한다. 따라서, 본 발명에서 상기 (S400) 단계를 '폐기 방전 단계'로 정의한다.
여기서, 폐배터리를 이루는 전극 소재의 관점에서 보면 음극(negative electrode)의 경우, 음극재에 삽입(lithiation)되어 있던 잔여 리튬 이온들을 정전압을 인가하여 탈리(de-lithiation)시키는 것이고, 양극(positive electrode)의 경우, 양극재에 리튬 이온들을 삽입시키는 것이다. 이와 같이, 음극에서 잔여 리튬 이온들이 탈리됨으로써, 폐배터리를 완전히 방전시키고, 폐배터리에 남아있는 에너지 준위를 최소화할 수 있는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서 상기 (S400) 단계에서 가해지는 정전압(constant voltage)은 양극과 음극의 에너지 준위 차이가 0에 가까운 전압, 즉 0 V에 근접하는 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다. 0V에 근접하는 전압일수록 음극에서는 리튬 이온의 탈리, 양극에서는 리튬 이온의 삽입이 일어나기 용이해진다.
본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서, 상기 정전압은 제2 방전 전압과 동일한 전압으로, 단전지 기준으로 0V 내지 0.5V, 바람직하게는 0V 내지 0.1V일 수 있다.
본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서, 상기 (S400) 단계에서 정전압(constant voltage)의 인가는 컷오프(cut off) 전류 크기가 0.005 내지 0.5 C, 바람직하게는 0.01C 내지 0.1C 전류 크기가 측정될 때까지 전압을 가할 수 있다.
여기서, 컷오프(cut off) 전류는 정전압의 인가에 따라 발생하는 전류를 의미하며, 정전압을 계속 인가할수록 완전 방전에 가까워지기 때문에 발생하는 전류 크기가 점점 줄어든다. 이 때, 상기 컷오프 전류 크기가 0.005C 내지 0.5 C, 바람직하게는 0.01C 내지 0.1C 내로 포함되면 인가하던 정전압을 멈추고 방전을 종료한다.
한편, 일반적으로 배터리에 방전 전류 또는 전압을 인가하다가 전류/전압의 인가를 멈추면 인가해주던 전류/전압에 의해 발생한 과전압이 해소되면서 다시 전압이 회복되는 OCV Rebounding 현상 (OCV 회복 현상)이 발생할 수 있다 (도 4 참조).
여기서, OCV는 Open circuit voltage의 약자로, 개회로 전압이라고 부르며, 전지에 부하를 걸지 않은 상태에서의 양 단자간 전압을 말한다. OCV가 회복된다는 것은, 그만큼 배터리 내부의 상태가 전기화학적으로 안정적(stable)하지 못한 것이라고 볼 수 있으며, 폐배터리의 완전 방전이라는 본 발명의 목적 달성을 어렵게 할 수 있다.
그러나, 본 발명의 방전 프로세스에 따르면, OCV rebounding 정도가 많이 줄어드는 것을 확인하였는데, 이는 제1 방전 전압 이하의 전압 영역에서 고전류가 아닌 저전류를 사용하여 방전시킴으로써 배터리 내 전기화학적 안정성(electrochemical stability)을 향상시킨 것에 기인하는 것으로 보인다.
5. (S500) 상기 폐배터리에 단락을 발생시켜 잔여 에너지를 소거하는 단계;
본 발명에 따른 폐배터리의 방전 프로세스에 있어서 상기 (S500) 단계는, 상기 폐배터리에 단락(short circuit)을 인위적으로 발생시켜 잔여 에너지를 소거하는 단계인 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 (S500) 단계는 0.1mΩ 내지 5Ω, 바람직하게는 30 mΩ 내지 1Ω의 저항으로 외부 단락을 발생시켜 잔여 에너지를 소거할 수 있다. 이와 같이 폐배터리를 단락시킴으로 인해, 재활용 단계에서 스파크, 화재 발생 가능성을 억제할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100: 배터리 방전 시스템
110: 충방전부
111: 충방전 전류 제어부
120: 전압 측정부
130: 메모리부
140: 연결부
200: 폐배터리

Claims (12)

  1. 폐배터리를 방전하는 프로세스에 있어서,
    (S100) 폐배터리를 준비하는 단계; 및
    (S200) 상기 폐배터리의 전원 단자와 연결되는 연결 단자를 통해 상기 폐배터리를 지정된 제1 방전 전압 또는 제1 방전 SOC까지 방전시키는 단계;
    를 포함하는, 폐배터리 방전 프로세스.
  2. 제1항에 있어서,
    (S300) 상기 폐배터리의 전원 단자와 연결되는 연결 단자를 통해 지정된 제2 방전 전압까지 추가로 방전시키는 단계를 더 포함하는, 폐배터리 방전 프로세스.
  3. 제2항에 있어서,
    (S400) 상기 폐배터리의 전압이 제2 방전 전압에 도달하는 경우, 정전압(constant voltage)을 인가하는 단계를 더 포함하는, 폐배터리 방전 프로세스.
  4. 제3항에 있어서,
    (S500) 상기 폐배터리에 단락을 발생시켜 잔여 에너지를 소거하는 단계를 더 포함하는, 폐배터리 방전 프로세스.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    (S100) 폐배터리를 준비하는 단계 이후,
    (S110) 폐배터리의 사양을 특정하는 단계; 및
    (S120) 폐배터리의 전기흐름 검사를 수행하는 단계를 더 포함하는,
    폐배터리 방전 프로세스.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (S200) 단계의 방전은 제1 전류 크기로 방전되고, 상기 제1 전류 크기는 0.2C(C-rate) 내지 5.0C(C-rate) 또는 0.5C(C-rate) 내지 3.0C(C-rate)인 것인,
    폐배터리 방전 프로세스.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (S200) 단계의 제1 방전 전압은 단전지 기준으로 0.05 V 내지 3.0 V 또는 0.1V 내지 2.5V인, 폐배터리 방전 프로세스.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (S200) 단계의 제1 방전 SOC는 0% 내지 50%, 또는 0% 내지 30% 또는 5% 내지 30%인, 폐배터리 방전 프로세스.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 (S300) 단계의 방전은 제2 전류 크기로 방전되고, 상기 제2 전류 크기는 제1 전류 크기의 10% 내지 50%, 또는 20% 내지 30%인, 폐배터리 방전 프로세스.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 (S300) 단계의 제2 방전 전압은 방전은 단전지 기준으로 0 V 내지 0.5V 또는 0V 내지 0.1V인, 폐배터리 방전 프로세스.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 (S400) 단계에서 인가되는 정전압은 상기 (S300) 단계의 제2 방전 전압과 동일한 것인,
    폐배터리 방전 프로세스.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 (S400) 단계의 정전압은 0.005 내지 0.5 C, 또는 0.01 내지 0.1C의 컷오프 전류 크기가 측정될 때까지 인가되는 것인, 폐배터리 방전 프로세스.


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