KR20230139151A - 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 회수하는 방법 - Google Patents

폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 회수하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 회수하는 방법으로서, 특정 구조의 추출제를 사용하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 회수하는 방법은 특정 구조의 추출제를 사용함으로써 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 높은 회수율로 선택적으로 회수할 수 있다.

Description

폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 회수하는 방법{Method for Recovering Lithium Salts from Electrolyte of Waste Secondary Battery}
본 발명은 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 회수하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 높은 회수율로 선택적으로 회수할 수 있는 방법에 관한 것이다.
리튬 이차전지는 양극 또는 음극 활물질을 적당한 두께와 길이로 집전체에 도포하거나 또는 활물질 자체를 필름 형상으로 도포하여 절연체인 분리막과 함께 감거나 적층하여 전극군을 만든 다음, 전지 케이스에 넣고, 전해질을 주입하여 제조한다. 이때, 상기 전해질은 일반적으로 리튬염과, 상기 리튬염을 용해시킬 수 있는 유기 용매로 구성된다.
최근 모바일 기기에 대한 수요가 증가하고, 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 이차전지의 사용이 확대됨에 따라 버려지는 폐 이차전지의 양도 늘어나고 있다.
폐 이차전지에는 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 리튬(Li) 등의 유가 금속(valuable metal)이 포함되어 있으므로 환경을 보호하고 유한한 자원을 효율적으로 사용하기 위해서 이들 유가 금속의 회수 방법에 대한 관심이 증가하고 있다.
그런데, 종래의 유가 금속 회수방법은 주로 양극 활물질로부터 유가 금속을 회수하는 방법이 주를 이루고 있고, 전해질 내에 존재하는 리튬염을 회수하기 위한 방법에 대한 개발은 미미한 실정이다.
특히, 전해질로부터 리튬염을 회수하는 방법에 있어서는 리튬염의 회수율 및 선택도가 떨어지는 문제점이 있었다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2017-0018048호에서는 전해질에 물을 첨가하여 액체 추출하는 방식으로 리튬염을 회수하는 방법이 개시되어 있으나, 이러한 방법은 리튬염의 회수율이 낮아 효율적이지 못하고 리튬염의 선택도가 낮아 고순도의 리튬염을 얻기 어렵다.
따라서, 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 높은 회수율로 선택적으로 회수할 수 있는 방법에 대한 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0018048호
본 발명의 한 목적은 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 높은 회수율로 선택적으로 회수할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
한편으로, 본 발명은 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 회수하는 방법으로서, 하기 화학식 1로 표시되는 추출제를 사용하여 리튬염을 추출하는 방법을 제공한다.
[화학식 1]
상기 식에서,
R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C2-C10의 알케닐기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 히드록시알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 머캅토알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 아미노알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 할로알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 아랄킬기, 또는 아릴기이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, R1은 수소, 할로겐, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C2-C10의 알케닐기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 히드록시알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 머캅토알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 아미노알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 할로알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 아랄킬기, 또는 아릴기이고,
R2 내지 R8은 수소 또는 할로겐일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 추출제는 하기 화학식 1-1 내지 1-9 중 어느 하나로 표시되는 추출제 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
[화학식 1-1]
[화학식 1-2]
[화학식 1-3]
[화학식 1-4]
[화학식 1-5]
[화학식 1-6]
[화학식 1-7]
[화학식 1-8]
[화학식 1-9]
본 발명의 일 실시형태에 따른 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 회수하는 방법은,
폐 이차전지의 전해질에 상기 화학식 1로 표시되는 추출제를 첨가하여 혼합액을 얻는 단계;
상기 혼합액에 물과 비수용성 용제를 첨가하고 혼합하여 분액하는 단계; 및
비수용성 용제층을 회수하고 비수용성 용제 및 화학식 1로 표시되는 추출제를 제거하여 리튬염을 얻는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 비수용성 용제는 할로카본계 용제일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 할로카본계 용제는 클로로포름(CHCl3), 디클로로에탄(C2H4Cl2), 메틸렌 클로라이드(CH2Cl2) 및 클로로벤젠(C6H5Cl)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 비수용성 용제 및 화학식 1로 표시되는 추출제의 제거는 증류를 통해 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 회수하는 방법은 특정 구조의 추출제를 사용함으로써 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 높은 회수율로 선택적으로 회수할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 회수 방법을 이용하면, 폐 이차전지의 전해질로부터 고순도의 리튬염을 경제적이고 효율적으로 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시형태는 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 회수하는 방법으로서, 리튬염의 추출제로서 12-크라운-4 구조를 갖는 화합물을 사용하는 방법에 관한 것이다
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 리튬염은 폐 이차전지의 전해질 내에 존재하는 것으로, 양이온으로 리튬 양이온(Li+)을 포함하는 금속염이다. 상기 리튬염은 추출 과정에서 짝을 이루는 음이온이 변경되거나 유지될 수 있다.
예를 들어, 상기 리튬염의 음이온은 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, B10Cl10 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, PF4C2O4 -, PF2C4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, CH3SO3 -, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN-, (CF3CF2SO2)2N- 등일 수 있다.
바람직하게는, 상기 리튬염의 음이온은 PF6 -일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 리튬염의 추출제로는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용한다.
[화학식 1]
상기 식에서,
R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C2-C10의 알케닐기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 히드록시알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 머캅토알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 아미노알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 할로알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 아랄킬기, 또는 아릴기이다.
본 명세서에서 사용되는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 알킬기는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 탄소수 1 내지 10개로 구성된 직쇄형 또는 분지형의 탄화수소를 의미하며, 예를 들어 메틸, 에틸, n-프로필, i-프로필, n-부틸, i-부틸, t-부틸, n-펜틸, n-헥실, 메톡시메틸, 부톡시메틸, 옥톡시메틸, 에톡시메톡시메틸기, 아세톡시기, 프로피오녹시기, 아세톡시메틸기, 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C2-C10의 알케닐기는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않으며 하나 이상의 탄소-탄소 이중결합을 갖는 탄소수 2 내지 10개로 구성된 직쇄형 또는 분지형 불포화 탄화수소를 의미하며, 예를 들어 에틸렌일, 프로펜일, 부텐일, 펜텐일, 알릴옥시메틸 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 히드록시알킬기는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은, 히드록시기로 치환된 탄소수 1 내지 10개로 구성된 직쇄형 또는 분지형의 탄화수소를 의미하며, 예를 들어 히드록시메틸, 히드록시에틸, 히드록시프로필, 디히드록시프로필옥시메틸 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 머캅토알킬기는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은, 머캅토기로 치환된 탄소수 1 내지 10개로 구성된 직쇄형 또는 분지형의 탄화수소를 의미하며, 예를 들어 머캅토메틸, 머캅토에틸, 머캅토프로필, 머캅토헥실옥시메틸 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 아미노알킬기는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은, 아미노기로 치환된 탄소수 1 내지 10개로 구성된 직쇄형 또는 분지형의 탄화수소를 의미하며, 예를 들어 아미노메틸, 아미노에틸, 아미노프로필 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 할로알킬기는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은, 불소, 염소, 브롬 및 요오드로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 할로겐으로 치환된 탄소수 1 내지 10개로 구성된 직쇄형 또는 분지형의 탄화수소를 의미하며, 예를 들어 모노플로오로메틸, 트리플로오로메틸, 모노클로로메틸, 트리클로로메틸, 트리플루오로에틸 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 아랄킬기는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 알킬기의 탄소에 아릴기(방향족 탄화수소기)가 치환되어 형성된 복합기를 의미하며, 예를 들어 벤질, 페네틸, 벤질옥시메틸, 벤질티오메틸 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 아릴기는 아로메틱기와 헤테로아로메틱기 및 그들의 부분적으로 환원된 유도체를 모두 포함한다. 상기 아로메틱기는 5원 내지 15원의 단순 또는 융합 고리형이며, 헤테로아로메틱기는 산소, 황 또는 질소를 하나 이상 포함하는 아로메틱기를 의미한다. 대표적인 아릴기의 예로는 페닐, 나프틸, 피리디닐(pyridinyl), 푸라닐(furanyl), 티오페닐(thiophenyl), 인돌릴(indolyl), 퀴놀리닐(quinolinyl), 이미다졸리닐(imidazolinyl), 옥사졸릴(oxazolyl), 티아졸릴(thiazolyl), 테트라히드로나프틸 등이 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, R1은 수소, 할로겐, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C2-C10의 알케닐기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 히드록시알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 머캅토알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 아미노알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 할로알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 아랄킬기, 또는 아릴기이고,
R2 내지 R8은 수소 또는 할로겐일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 추출제는 하기 화학식 1-1 내지 1-9 중 어느 하나로 표시되는 추출제 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
[화학식 1-1]
[화학식 1-2]
[화학식 1-3]
[화학식 1-4]
[화학식 1-5]
[화학식 1-6]
[화학식 1-7]
[화학식 1-8]
[화학식 1-9]
본 발명에 따라 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 리튬염의 추출제로서 사용하면 리튬 이온과 킬레이트를 형성하여 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 높은 회수율로 선택적으로 회수할 수 있다. 특히, 상기 화학식 1로 표시되는 추출제로서, 화학식 1-6 또는 1-7로 표시되는 추출제를 사용하는 것이 리튬염의 회수율 및 선택도 면에서 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 회수하는 방법은,
(i) 폐 이차전지의 전해질에 상기 화학식 1로 표시되는 추출제를 첨가하고 혼합하여 혼합액을 얻는 단계;
(ii) 상기 혼합액에 물과 비수용성 용제를 첨가하여 분액하는 단계; 및
(iii) 비수용성 용제층을 회수하고 비수용성 용제 및 화학식 1로 표시되는 추출제를 제거하여 리튬염을 얻는 단계를 포함할 수 있다.
상기 폐 이차전지는 파우치형, 각형, 원통형, 박막형 등일 수 있다.
상기 폐 이차전지는 리튬염의 회수에 사용되기 전에 방전될 수 있다.
상기 단계 (i)은 폐 이차전지의 전해질에 상기 화학식 1로 표시되는 추출제를 첨가하고 혼합하여, 리튬염을 포함하는 혼합액을 얻는 단계이다.
상기 단계 (i)에서, 상기 전해질은 폐 이차전지를 파쇄 또는 천공하여 얻을 수 있다.
예를 들어, 상기 전해질은 폐 이차전지를 파쇄하여 얻은 파쇄 혼합물을 원심분리하여 얻을 수 있다.
대안적으로, 상기 전해질은 폐 이차전지를 천공하고, 상기 천공부를 통해 회수될 수 있다. 이때, 상기 천공부를 통해 화학식 1로 표시되는 추출제를 주입하고, 상기 천공부를 통해 주입된 추출제와 함께 전해질를 회수할 수 있다.
상기 단계 (i)에서, 화학식 1로 표시되는 추출제를 첨가한 후 수행하는 혼합은 초음파 처리기를 이용하여 수행하는 것이 리튬염의 추출 효율면에서 바람직하다.
상기 단계 (i)은 상온 내지 100℃의 온도에서 수행할 수 있다. 상기 온도 범위에서 수행하는 것이 리튬염의 추출 효율면에서 바람직하며, 100℃ 초과시에는 추출시 첨가되는 추출제의 휘발이 발생하여 안전성이 떨어질 수 있다.
상기 단계 (ii)는 상기 단계 (i)에서 얻은 혼합액에 물과 비수용성 용제를 첨가하여, 리튬염만을 선택적으로 결합하고 있는 화학식 1로 표시되는 추출제를 비수용성 용제층에 용해시켜 물층과 분리하는 단계이다.
상기 단계 (ii)에서, 상기 비수용성 용제로는 이차전지의 전해질에 통상적으로 사용되는 다양한 비수용성 용제들이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 비수용성 용제는 할로카본계 용제, 카보네이트계 용제, 에스테르계 용제, 에테르계 용제 등을 들 수 있으며, 특히 회수율 및 선택도면에서 할로카본계 용제를 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용될 수 있다.
상기 할로카본계 용제로는 클로로포름(CHCl3), 디클로로에탄(C2H4Cl2), 메틸렌 클로라이드(CH2Cl2), 클로로벤젠(C6H5Cl) 또는 이들의 혼합 용제를 들 수 있다.
상기 카보네이트계 용제로는 환형 카보네이트계 용제, 선형 카보네이트계 용제, 또는 이들의 혼합 용제를 들 수 있다.
예를 들어, 상기 환형 카보네이트계 용제로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트 (FEC) 등을 들 수 있으며, 상기 선형 카보네이트계 용제로는 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트 등을 들 수 있다.
상기 에스테르계 용제로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, 부틸 프로피오네이트 등의 선형 에스테르계 용제; γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤, ε-카프로락톤 등의 환형 에스테르계 용제를 들 수 있다.
상기 에테르계 용제로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르, 에틸프로필 에테르 등을 들 수 있다.
상기 단계 (ii)에서, 물과 비수용성 용제의 첨가량은 상기 단계 (i)의 혼합액 100 부피부에 대하여 200 내지 1,000 부피부인 것이 리튬염의 추출 효율 및 공정 효율면에서 바람직하다. 상기 물과 비수용성 용제의 첨가량이 200 부피부 미만이면 층분리가 일어나지 않아 분액이 용이하지 않을 수 있으며, 1,000 부피부를 초과하면 비용이 증가하고 이후 비수용성 용제 및 화학식 1로 표시되는 추출제의 제거에 필요한 시간이 길어져 공정 효율이 떨어질 수 있다.
상기 단계 (ii)에서, 상기 물과 비수용성 용제의 혼합비는 부피 기준으로 1: 0.5 내지 2인 것이 리튬염의 추출 효율 및 공정 효율면에서 바람직하다.
상기 단계 (ii)에서, 상기 분액(分液)은 당해 기술분야에 알려진 통상의 방법으로 수행될 수 있다.
상기 단계 (ii)는 0℃ 내지 50℃의 온도에서 수행할 수 있다. 상기 온도 범위에서, 물과 비수용성 용제가 얼거나 휘발되지 않아 분액 공정을 용이하게 수행할 수 있다.
상기 단계 (iii)은 리튬염이 용해되어 있는 비수용성 용제층을 회수하고, 이로부터 비수용성 용제와 화학식 1로 표시되는 추출제를 제거하여 리튬염을 회수하는 단계이다.
상기 단계 (iii)에서, 상기 비수용성 용제와 화학식 1로 표시되는 추출제의 제거는 증류를 통해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 회수 방법은 물과 비수용성 용제를 이용한 간단한 분액, 즉 액체-액체 상분리(liquid-liquid phase separation)와, 증류 과정을 통해 고순도의 리튬염의 회수가 가능한 이점이 있다.
이하, 실시예, 비교예 및 실험예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예, 비교예 및 실험예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.
제조예 1: 이차 전지의 준비
파우치 필름에 음극, 양극, 분리막을 넣고, 윗부분을 제외한 나머지 부분을 밀봉하여, 전해질이 주입되지 않은 파우치형 이차전지의 파우치 샘플을 제조하고, 전해질로서 LiPF6를 1M 농도로 첨가하고, 전이금속 화합물로서 니켈(Ⅱ) 아세테이트(Ni(OAc)2)를 0.1M 농도로 첨가한 에틸메틸 카보네이트(EMC) 용액 10 ml를 주입하였다.
실시예 1: 리튬염의 회수
상기 제조예 1에서 준비한 파우치 샘플에 추출제로서 하기 화학식 1-1로 표시되는 추출제 10 ml을 첨가하고 25℃에서 30분 동안 초음파 처리하여 혼합한 다음, 여과하여 혼합액을 얻었다. 상기 혼합액에, 물 30 ml와 비수용성 용제로서 클로로포름(CHCl3) 30 ml를 첨가하고 교반한 다음, 물층과 비수용성 용제층이 분리되도록 방치하여 분액하였다. 비수용성 용제층을 회수하고, 이를 증류하여 리튬염을 수득하였다.
[화학식 1-1]
실시예 2: 리튬염의 회수
추출제로서 상기 화학식 1-1로 표시되는 추출제 대신에 하기 화학식 1-2로 표시되는 추출제를 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 리튬염을 회수하였다.
[화학식 1-2]
실시예 3: 리튬염의 회수
추출제로서 상기 화학식 1-1로 표시되는 추출제 대신에 하기 화학식 1-3으로 표시되는 추출제를 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 리튬염을 회수하였다.
[화학식 1-3]
실시예 4: 리튬염의 회수
추출제로서 상기 화학식 1-1로 표시되는 추출제 대신에 하기 화학식 1-4로 표시되는 추출제를 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 리튬염을 회수하였다.
[화학식 1-4]
실시예 5: 리튬염의 회수
추출제로서 상기 화학식 1-1로 표시되는 추출제 대신에 하기 화학식 1-5로 표시되는 추출제를 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 리튬염을 회수하였다.
[화학식 1-5]
실시예 6: 리튬염의 회수
추출제로서 상기 화학식 1-1로 표시되는 추출제 대신에 하기 화학식 1-6으로 표시되는 추출제를 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 리튬염을 회수하였다.
[화학식 1-6]
실시예 7: 리튬염의 회수
추출제로서 상기 화학식 1-1로 표시되는 추출제 대신에 하기 화학식 1-7로 표시되는 추출제를 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 리튬염을 회수하였다.
[화학식 1-7]
실시예 8: 리튬염의 회수
추출제로서 상기 화학식 1-1로 표시되는 추출제 대신에 하기 화학식 1-8로 표시되는 추출제를 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 리튬염을 회수하였다.
[화학식 1-8]
실시예 9: 리튬염의 회수
추출제로서 상기 화학식 1-1로 표시되는 추출제 대신에 하기 화학식 1-9로 표시되는 추출제를 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 리튬염을 회수하였다.
[화학식 1-9]
비교예 1: 리튬염의 회수
추출제로서 상기 화학식 1-1로 표시되는 추출제 대신에 물을 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 리튬염을 회수하였다.
비교예 2: 리튬염의 회수
추출제로서 상기 화학식 1-1로 표시되는 추출제 대신에 15-크라운-5를 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 리튬염을 회수하였다.
비교예 3: 리튬염의 회수
추출제로서 상기 화학식 1-1로 표시되는 추출제 대신에 18-크라운-6을 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 리튬염을 회수하였다.
실험예 1:
리튬염의 회수율과 선택도를 하기와 같은 방법으로 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(1) 회수율
전해질 내 초기 리튬염의 함유량 대비 회수된 리튬염의 양을 ICP (Inductively Coupled Plasma) 분석을 통해 측정하여 하기 수학식 1로 회수율을 계산하였다.
[수학식 1]
(2) 선택도
회수된 리튬염 및 리튬염 이외의 다른 금속염의 양을 ICP (Inductively Coupled Plasma) 분석을 통해 측정하여 하기 수학식 2로 선택도를 계산하였다.
[수학식 2]
회수율(%) 선택도(%)
실시예 1 75 90
실시예 2 75 95
실시예 3 82 96
실시예 4 83 97
실시예 5 81 98
실시예 6 86 98
실시예 7 86 98
실시예 8 78 96
실시예 9 71 96
비교예 1 12 82
비교예 2 75 72
비교예 3 74 68
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 리튬염의 추출제로서 12-크라운-4 구조를 갖는 화합물을 사용한 실시예 1 내지 9는, 추출제로서 물, 15-크라운-5 또는 18-크라운-6을 사용한 비교예 1 내지 3에 비해 리튬염의 회수율 및 선택도가 우수한 것을 확인할 수 있었다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 폐 이차전지의 전해질로부터 리튬염을 회수하는 방법으로서,
    하기 화학식 1로 표시되는 추출제를 사용하여 리튬염을 추출하는 방법:
    [화학식 1]

    상기 식에서,
    R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C2-C10의 알케닐기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 히드록시알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 머캅토알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 아미노알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 할로알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 아랄킬기, 또는 아릴기이다.
  2. 제1항에 있어서, R1은 수소, 할로겐, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C2-C10의 알케닐기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 히드록시알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 머캅토알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 아미노알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C10의 할로알킬기, 사슬 탄소 중 하나 이상이 O, S 또는 C(=O)O로 치환되거나 치환되지 않은 아랄킬기, 또는 아릴기이고,
    R2 내지 R8은 수소 또는 할로겐인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 추출제는 하기 화학식 1-1 내지 1-9 중 어느 하나로 표시되는 추출제 중에서 선택되는 하나 이상인 방법:
    [화학식 1-1]

    [화학식 1-2]

    [화학식 1-3]

    [화학식 1-4]

    [화학식 1-5]

    [화학식 1-6]

    [화학식 1-7]

    [화학식 1-8]

    [화학식 1-9]
  4. 제1항에 있어서,
    폐 이차전지의 전해질에 상기 화학식 1로 표시되는 추출제를 첨가하여 혼합액을 얻는 단계;
    상기 혼합액에 물과 비수용성 용제를 첨가하고 혼합하여 분액하는 단계; 및
    비수용성 용제층을 회수하고 비수용성 용제 및 화학식 1로 표시되는 추출제를 제거하여 리튬염을 얻는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 비수용성 용제는 할로카본계 용제인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 할로카본계 용제는 클로로포름(CHCl3), 디클로로에탄(C2H4Cl2), 메틸렌 클로라이드(CH2Cl2) 및 클로로벤젠(C6H5Cl)으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상인 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 비수용성 용제 및 화학식 1로 표시되는 추출제의 제거는 증류를 통해 수행되는 방법.
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