KR20240031538A - 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따르면, 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법에 있어서, 상기 폐배터리는 제1 잔여물질과 양극활물질을 포함하는 제1 활물질, 제2 잔여물질과 음극활물질을 포함하는 제2 활물질 및 바인더를 포함하고, 상기 제2 잔여물질과 상기 음극활물질을 결합시키는 상기 바인더 중 어느 일부를 제거하기 위하여 상기 폐배터리를 제1 온도범위로 가열하는 1차 가열단계; 상기 1차 가열단계에서 상기 어느 일부의 바인더가 제거됨으로써 결합이 해제된 상기 제2 잔여물질과 상기 음극활물질을 상기 제1 활물질로부터 분리시키는 활물질 분리단계; 및 상기 활물질 분리단계에서 분리된 상기 제1 활물질에 포함된 상기 제1 잔여물질과 상기 양극활물질을 결합시키는 상기 바인더 중 다른 일부를 제거하기 위하여 상기 활물질 분리단계에서 분리된 상기 제1 활물질을 상기 제1 온도범위보다 높은 온도 범위인 제2 온도범위로 가열하는 2차 가열단계를 포함하는, 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법이 제공될 수 있다.
Description
본 발명은 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는방법에 대한 발명이다.
최근에는 배터리가 스마트폰, 모바일 기기 등의 전자기기뿐만 아니라 전기자동차에도 많이 사용되면서 기하급수적으로 그 수요량이 증가하고 있다. 이러한 배터리는 전기자동차가 차세대 이동수단으로서 수요가 증가함에 따라 미래에 그 수요가 더욱 증가할 것으로 예상된다.
한편, 전기자동차에 사용되는 배터리는 큰 전기용량을 필요로 하기 때문에, 복수 개의 배터리셀(bateery cell), 배터리모듈(battery module) 및 배터리팩(battery pack) 단위로 전기자동차에 설치되어 사용되고 있다. 이처럼, 배터리의 용량 및 사용량이 증가함에 따라 배터리의 폐기량도 증가하고 있다.
그러나, 폐배터리의 처리에 대한 연구는 아직 활성화되지 않았으며, 폐배터리에 대한 재활용도 아직은 미미한 실정이다. 예를 들어, 무분별하게 버려지는 폐배터리에 의해 오염이 발생하며, 자연이 훼손되는 문제가 있다. 또한, 폐배터리를 제조하기 위해 사용되는 니켈, 코발트 및 망간 등은 지구에 한정적인 자원으로서 무분별하게 사용될 경우 자원이 빠르게 고갈될 수 있다. 이에, 폐배터리로부터 니켈, 코발트 및 망간 등의 유가금속을 재활용하는 방법이 개발되고 있다.
종래의 폐배터리로부터 유가금속을 재활용하는 방법은 폐배터리를 열처리하고, 유가금속 회수를 위하여 열처리된 폐배터리를 한 번에 황산을 통해 침출시켰다. 이 경우 불필요한 물질들까지 침출 공정에 포함됨으로써 폐배터리를 침출하는데 과도한 양의 산이 필요하게 된다. 또한, 침출 효율은 저하되고, 과도한 양의 황산에 소요되는 비용 부담이 발생하게 된다. 게다가, 불필요한 물질들이 침출 공정에 포함되다 보니 유가 금속의 회수율도 저하된다.
따라서, 폐배터리의 침출 효율이 저하되는 것을 방지하고, 황산에 소요되는 비용을 절감시킬 수 있는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법의 필요성이 있다.
본 발명의 일 실시예는 상기와 같은 배경에 착안하여 발명된 것으로서, 폐배터리의 침출 효율이 저하되는 것을 방지하고, 황산에 소요되는 비용을 절감시킬 수 있는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 유가 금속의 회수율을 증가시킬 수 있는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법에 있어서, 상기 폐배터리는 제1 잔여물질과 양극활물질을 포함하는 제1 활물질, 제2 잔여물질과 음극활물질을 포함하는 제2 활물질 및 바인더를 포함하고, 상기 제2 잔여물질과 상기 음극활물질을 결합시키는 상기 바인더 중 어느 일부를 제거하기 위하여 상기 폐배터리를 제1 온도범위로 가열하는 1차 가열단계; 상기 1차 가열단계에서 상기 어느 일부의 바인더가 제거됨으로써 결합이 해제된 상기 제2 잔여물질과 상기 음극활물질을 상기 제1 활물질로부터 분리시키는 활물질 분리단계; 및 상기 활물질 분리단계에서 분리된 상기 제1 활물질에 포함된 상기 제1 잔여물질과 상기 양극활물질을 결합시키는 상기 바인더 중 다른 일부를 제거하기 위하여 상기 활물질 분리단계에서 분리된 상기 제1 활물질을 상기 제1 온도범위보다 높은 온도 범위인 제2 온도범위로 가열하는 2차 가열단계를 포함하는, 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제2 잔여물질은 구리(cu)를 포함하고, 상기 활물질 분리단계는, 상기 구리의 광학적 특성을 이용하여 상기 구리를 상기 제1 활물질로부터 분리시키는, 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 잔여물질은 알루미늄(Al)을 포함하고, 상기 2차 가열단계 이후 상기 제1 활물질 중 어느 일부는 상기 다른 일부의 바인더가 제거됨으로써 상기 알루미늄과 상기 양극활물질 간의 결합이 해제되고, 상기 제1 활물질 중 다른 일부는 상기 알루미늄과 상기 양극활물질 간의 결합이 유지되며, 상기 어느 일부의 제1 활물질로부터 상기 양극활물질을 선별하는 1차 양극활물질 선별단계; 상기 다른 일부의 제1 활물질을 분쇄하는 제1 활물질 분쇄단계; 및 분쇄된 상기 다른 일부의 제1 활물질로부터 양극활물질을 선별하는 2차 양극활물질 선별단계를 더 포함하는, 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 1차 양극활물질 선별단계 및 상기 2차 양극활물질 선별단계는 100 이상 150 이하의 메쉬를 가지는 진동스크린을 통하여 상기 양극활물질을 선별하는, 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법이 제공될 수 있다.
또한, 제1 활물질 분쇄단계는 상기 다른 일부의 제1 활물질을 볼밀(ball mill), 해머밀(hammer mill) 및 임팩트밀(impact mill) 중 하나 이상을 통하여 분쇄하는, 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 1차 가열단계 이후 상기 제2 잔여물질과 상기 음극활물질 간의 결합이 유지된 제2 활물질을 분쇄하는 제2 활물질 분쇄단계; 및 분쇄된 상기 제2 활물질로부터 음극활물질을 선별하는 음극활물질 선별단계를 더 포함하고, 상기 제2 잔여물질은 구리(cu)를 포함하며, 상기 음극활물질은 그래파이트(graphite)를 포함하는, 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 음극활물질 선별단계는 100 이상 150 이하의 메쉬를 가지는 진동스크린을 통하여 상기 음극활물질을 선별하는, 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법이 제공될 수 있다.
또한, 제2 활물질 분쇄단계는 상기 제2 활물질을 볼밀(ball mill), 해머밀(hammer mill) 및 임팩트밀(impact mill) 중 하나 이상을 통하여 분쇄하는, 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 온도범위는 200℃ 내지 300℃ 이고, 상기 제2 온도범위는 550℃ 내지 650℃ 인, 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 어느 일부의 바인더는 상기 제1 온도범위에서 녹는 스티렌부타디엔고무(styrene butadiene rubber, SBR)을 포함하고, 상기 다른 일부의 바인더는 상기 제2 온도범위에서 녹는 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF)를 포함하는, 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법이 제공될 수 있다.
또한, 산(acid) 및 과산화수소(H2O2) 중 하나 이상과 상기 양극활물질 혼합하여 상기 양극활물질이 침출된 침출액을 획득하는 침출단계; 및 상기 침출단계에서 획득된 상기 침출액으로부터 망간, 코발트 및 니켈 중 하나 이상을 회수하는 회수단계를 더 포함하는, 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법이 제공될 수 있다.
또한, 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법에 있어서, 상기 폐배터리는 제1 잔여물질과 양극활물질을 포함하는 제1 활물질 및 제2 잔여물질과 음극활물질을 포함하는 제2 활물질을 포함하고, 상기 제2 잔여물질과 상기 음극활물질 간의 결합이 해제되도록 상기 폐배터리를 제1 온도범위로 가열하는 1차 가열단계; 상기 1차 가열단계 이후에 수행되며, 상기 폐배터리로부터 철(Fe)를 제거하는 철 제거단계; 상기 1차 가열단계에서 결합이 해제된 상기 제2 잔여물질과 상기 음극활물질을 상기 제1 활물질로부터 분리시키는 활물질 분리단계; 및 상기 제1 잔여물질과 상기 양극활물질 간의 결합이 해제되도록 상기 활물질 분리단계에서 분리된 상기 제1 활물질을 상기 제1 온도범위보다 높은 온도 범위인 제2 온도범위로 가열하는 2차 가열단계를 포함하는, 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 폐배터리의 침출 효율이 저하되는 것을 방지하고, 황산에 소요되는 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 유가 금속의 회수율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1의 전처리단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 3은 도 2의 제1 선별단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 4는 도 2의 제2 선별단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 5는 도 1의 침출단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 6은 도 1의 침전단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 7은 도 1의 회수단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1의 전처리단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 3은 도 2의 제1 선별단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 4는 도 2의 제2 선별단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 5는 도 1의 침출단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 6은 도 1의 침전단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 7은 도 1의 회수단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법(S1)의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
이하, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법(S1)은 폐배터리로부터 유가금속을 획득할 수 있다. 여기서 폐배터리는 수명이 다해 폐기된 배터리(battery)를 의미한다. 예를 들어, 폐배터리는 각형 배터리, 원통형 배터리 등일 수 있으며, 리튬이온배터리(lithium ion battery)일 수 있다. 또한, 유가금속은 일 예로, 니켈, 코발트 및 망간 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 폐배터리는 제1 활물질, 제2 활물질, 바인더 및 철(Fe)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 활물질은 양극활물질 및 제1 잔여물질을 포함할 수 있다. 여기서 양극활물질은 일 예로, 니켈코발트망간 금속산화물(LiNiCoMnO2, NCM), 리튬코발트 금속산화물(LiCoO2, LCO), 리튬니켈코발트알루미늄 금속산화물(LiNiCoAlO2, NCA)및 리튬망간 금속산화물(LiMn2O4, LMO) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 제1 잔여물질은 알루미늄(aluminum)을 포함할 수 있다. 이러한 제1 잔여물질은 양극으로 명명될 수도 있다.
한편, 제2 활물질은 음극활물질 및 제2 잔여물질을 포함할 수 있다. 여기서 음극활물질은 일 예로, 실리콘(silicon), 그래파이트(graphite) 및 실리콘 혼합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 제2 잔여물질은 구리(cupper)를 포함할 수 있다. 이러한 제2 잔여물질은 음극으로 명명될 수도 있다.
또한, 바인더는 바인더 중 어느 일부가 제2 잔여물질과 음극활물질을 결합시킬 수 있으며, 바인더 중 다른 일부가 제1 잔여물질과 양극활물질을 결합시킬 수 있다. 예를 들어, 바인더는 제1 잔여물질과 양극활물질을 결합시키는 제1 바인더 및 제2 잔여물질과 음극활물질을 결합시키는 제2 바인더를 포함할 수 있다. 더 자세한 예시로, 제1 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF)를 포함할 수 있으며, 제2 바인더는 스티렌부타디엔고무(styrene butadiene rubber, SBR)을 포함할 수 있다.
폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법(S1)은 전처리단계(S100), 침출단계(S200), 침전단계(S300), 혼합용매 제공단계(S400) 및 회수단계(S500)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 전처리단계(S100)에서는 폐배터리를 전처리하여 양극활물질을 획득할 수 있다. 이러한 전처리단계(S100)는 방전단계(S110), 파쇄단계(S120), 1차 가열단계(S130), 철 제거단계(S140), 활물질 분리단계(S140), 제1 선별단계(S160) 및 제2 선별단계(S170)를 포함할 수 있다.
방전단계(S110)에서는 폐배터리를 물리적 또는 화학적으로 방전시킬 수 있다. 예를 들어, 방전단계(S110)에서는 폐배터리를 탄산나트륨 등이 용해된 수용액에 넣고 소정 시간 동안 방전시킬 수 있다.
파쇄단계(S120)에서는 방전된 폐배터리를 셀 및 모듈 단위로 분해한 후 셀 단위의 폐배터리를 파쇄할 수 있다. 예를 들어, 파쇄단계(S120)에서는 질소 분위기하에서 2축전단파쇄기(double shaft shredder)를 통하여 폐배터리를 파쇄할 수 있다. 이러한 파쇄단계(S120)는 질소 분위기하에서 폐배터리를 파쇄함으로써 인화성 용매인 전해액으로부터 화재 및 폭발이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
1차 가열단계(S130)에서는 제2 잔여물질과 음극활물질을 결합시키는 바인더 중 어느 일부를 제거하기 위하여 폐배터리를 제1 온도범위로 가열할 수 있다. 다시 말해, 1차 가열단계(S130)에서는 파쇄단계(S120)에서 파쇄된 폐배터리를 가열함으로써 제2 잔여물질과 음극활물질을 결합시키는 제2 바인더를 제거할 수 있다. 이러한 1차 가열단계(S130)는 로타리 킬른(rotary kiln) 회전로를 통하여 폐배터리를 간접적으로 가열할 수 있다. 이처럼, 로타리 킬른 회전로를 통하여 폐배터리를 가열함으로써 정확한 온도 제어를 통하여 폐배터리를 열처리할 수 있으며, 파쇄된 폐배터리를 효과적으로 열처리할 수 있다.
예를 들어, 제1 온도범위는 200℃ 내지 300℃일 수 있으며, 1차 가열단계(S130)는 200℃ 내지 300℃의 온도범위 내에서 1시간 내지 3시간 동안 폐배터리를 가열할 수 있다. 더 자세한 예시로, 1차 가열단계(S130)에서 폐배터리를 200℃ 미만으로 가열할 경우 제2 바인더가 완전히 제거되지 않고 잔류할 수 있다. 또한, 1차 가열단계(S130)에서 폐배터리를 300℃를 초과하여 가열할 경우 과도한 에너지 및 비용이 소모될 수 있으며, 600℃를 초과할 경우 제2 바인더까지 제거될 수도 있다.
이러한 1차 가열단계(S130)가 수행되면, 제2 잔여물질과 음극활물질은 서로 간의 결합이 해제될 수 있다. 이 경우 제2 활물질의 어느 일부는 제2 잔여물질과 음극활물질로 분리되고, 다른 일부는 제2 바인더가 제거되지 않아 결합이 유지될 수 있다. 다만, 이는 예시에 불과하고, 1차 가열단계(S130) 이후에 제2 바인더는 모두 제거되어 제2 잔여물질과 음극활물질은 서로 분리될 수도 있다.
철 제거단계(S140)에서는 철(Fe)을 폐배터리로부터 제거할 수 있다. 예를 들어, 철 제거단계(S140)에서는 자성을 이용하여 철을 제1 활물질 및 제2 활물질로부터 분리시켜 제거할 수 있다. 이러한 철 제거단계(S140)는 1차 가열단계(S130) 이후에 수행되는 것으로 서술하였으나, 이는 예시에 불과하고, 철 제거단계(S140)는 다른 단계 이후에 수행될 수도 있다.
활물질 분리단계(S150)에서는 제2 잔여물질과 음극활물질을 제1 활물질로부터 분리시킬 수 있다. 예를 들어, 활물질 분리단계(S150)에서는 1차 가열단계(S130)에 의해 결합이 해제된 제2 잔여물질과 음극활물질을 제1 활물질로부터 분리시킬 수 있다. 이 경우 활물질 분리단계(S150)에서는 100 이상 150 이하의 메쉬를 가지는 진동스크린을 통하여 음극활물질을 제1 활물질, 제2 잔여물질로부터 1차적으로 선별할 수 있다. 또한, 활물질 분리단계(S150)에서는 광학적 특성을 이용하여 제2 잔여물질을 제1 활물질로부터 2차적으로 선별할 수 있다. 예를 들어, 제2 잔여물질에 포함된 구리는 다른 물질들과 구별되는 색을 가지며, 구리의 특유한 색을 통해 제2 잔여물질을 별도로 선별할 수 있다.
한편, 활물질 분리단계(S150)에서는 음극활물질과 결합이 해제된 구리뿐만 아니라 제2 바인더가 제거되지 않아 음극활물질과 결합된 구리도 제1 활물질로부터 분리될 수 있다. 예를 들어, 활물질 분리단계(S150)에서는 구리의 광학적 특성을 이용하여 서로 결합된 구리와 음극활물질을 함께 제1 활물질로부터 선별할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 선별단계(S160)에서는 제1 활물질로부터 양극활물질이 선별될 수 있다. 이러한 제1 선별단계(S160)는 2차 가열단계(S161), 1차 양극활물질 선별단계(S162), 제1 활물질 분쇄단계(S163) 및 2차 양극활물질 선별단계(S164)를 포함할 수 있다.
2차 가열단계(S161)에서는 제1 잔여물질과 양극활물질을 결합시키는 바인더 중 다른 일부를 제거하기 위하여 제1 활물질을 제2 온도범위로 가열할 수 있다. 다시 말해, 2차 가열단계(S161)에서는 분리단계(S150)에서 분리된 제1 활물질을 가열함으로써 제1 잔여물질과 양극활물질을 결합시키는 제1 바인더를 제거할 수 있다. 로타리 킬른(rotary kiln) 회전로를 통하여 폐배터리를 간접적으로 가열할 수 있다. 이처럼, 로타리 킬른 회전로를 통하여 폐배터리를 가열함으로써 정확한 온도 제어를 통하여 폐배터리를 열처리할 수 있으며, 파쇄된 폐배터리를 효과적으로 열처리할 수 있다.
예를 들어, 제2 온도범위는 550℃ 내지 650℃일 수 있으며, 2차 가열단계(S161)는 550℃ 내지 650℃의 온도범위 내에서 1시간 내지 3시간 동안 폐배터리를 가열할 수 있다. 더 자세한 예시로, 2차 가열단계(S161)에서 폐배터리를 550℃ 미만으로 가열할 경우 제1 바인더가 완전히 제거되지 않고 잔류할 수 있다. 또한, 2차 가열단계(S161)에서 폐배터리를 650℃를 초과하여 가열할 경우 알루미늄이 녹아서 양극활물질에 눌어붙게 되며, 알루미늄을 양극활물질로부터 분리하기 어려워질 수 있다.
또한, 2차 가열단계(S161)가 수행되면, 제1 잔여물질과 양극활물질은 서로 간의 결합이 해제될 수 있다. 예를 들어, 2차 가열단계(S161)가 수행되면 제2 바인더가 제거됨으로써 양극활물질 및 알루미늄 사이의 결합이 해제될 수 있다. 이 경우 제1 활물질 중 어느 일부는 양극활물질과 알루미늄 간의 결합이 해제되며, 제1 활물질 중 다른 일부는 양극활물질과 알루미늄은 결합이 해제되지 않고 결합이 유지될 수 있다.
1차 양극활물질 선별단계(S162)에서는 2차 가열단계(S161)에서 결합이 해제된 양극활물질이 알루미늄으로부터 선별될 수 있다. 예를 들어, 1차 양극활물질 선별단계(S162)에서는 100 이상 150 이하의 메쉬를 가지는 진동스크린을 통하여 양극활물질이 알루미늄으로부터 선별될 수 있다.
제1 활물질 분쇄단계(S163)에서는 2차 가열단계(S161)에서 결합이 해제되지 않은 양극활물질과 알루미늄이 분쇄될 수 있다. 예를 들어, 제1 활물질 분쇄단계(S163)에서는 볼밀(ball mill), 해머밀(hammer mill) 및 임팩트밀(impact mill) 중 하나 이상을 이용하여 양극활물질과 알루미늄이 분쇄될 수 있다.
2차 양극활물질 선별단계(S164)에서는 제1 활물질 분쇄단계(S163)에서 분쇄된 양극활물질과 알루미늄으로부터 양극활물질이 선별될 수 있다. 예를 들어, 2차 양극활물질 선별단계(S164)에서는 100 이상 150 이하의 메쉬를 가지는 진동스크린을 통하여 양극활물질이 알루미늄으로부터 선별될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제2 선별단계(S170)에서는 제2 활물질로부터 음극활물질이 선별될 수 있다. 예를 들어, 제2 선별단계(S170)에서는 제2 바인더가 제거되지 않아 제2 잔여물질과 음극활물질이 결합된 제2 활물질로부터 음극활물질이 선별될 수 있다. 이러한 제2 선별단계(S170)는 제2 활물질 분쇄단계(S171) 및 음극활물질 선별단계(S172)를 포함할 수 있다.
제2 활물질 분쇄단계(S171)에서는 제2 활물질이 분쇄될 수 있다. 예를 들어, 제2 활물질 분쇄단계(S171)에서는 제2 바인더가 제거되지 않아 음극활물질과 제2 잔여물질 간의 결합이 유지된 제2 활물질이 분쇄될 수 있다. 또한, 제2 활물질 분쇄단계(S171)에서는 볼밀(ball mill), 해머밀(hammer mill) 및 임팩트밀(impact mill) 중 하나 이상을 이용하여 음극활물질과 구리가 분쇄될 수 있다.
음극활물질 선별단계(S172)에서는 제2 활물질 분쇄단계(S171)에서 분쇄된 음극활물질과 제2 잔여물질로부터 음극활물질이 선별될 수 있다. 예를 들어, 음극활물질 선별단계(S172)에서는 100 이상 150 이하의 메쉬를 가지는 진동스크린을 통하여 음극활물질이 구리로부터 선별될 수 있다.
도 5를 참조하면, 침출단계(S200)에서는 산(acid) 및 과산화수소(H2O2) 중 하나 이상과 양극활물질을 혼합하여 양극활물질을 침출시킬 수 있다. 예를 들어, 침출단계(S200)에서는 황산(H2SO4)을 양극활물질과 혼합하여 양극활물질을 침출시킬 수 있다. 이러한 침출단계(S200)는 1차 침출단계(S210) 및 2차 침출단계(S220)를 포함할 수 있다.
1차 침출단계(S210)에서는 양극활물질과 황산을 혼합하여 양극활물질을 침출시킬 수 있다. 예를 들어, 1차 침출단계(S210)는 수세단계(S300)에서 침전된 양극활물질과 pH 조절단계(S410)에서 제거된 불순물을 혼합한 후 황산을 주입하여 양극활물질을 침출시킬 수 있다. 여기서, pH 조절단계(S410)에서 제거된 불순물은 황산화된 소량의 니켈, 코발트 및 망간 중 하나 이상일 수 있다. 이처럼, 제거된 불순물을 다시 혼합함으로써 유가자원의 회수율을 더 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
2차 침출단계(S220)에서는 양극활물질과 황산의 혼합물에 과산화수소를 주입할 수 있다. 여기서 과산화수소는 양극활물질의 침출 속도를 향상시킬 수 있다. 이러한 2차 침출단계(S220)는 1차 침출단계(S210)와 순차적으로 또는 동시에 수행될 수 있다. 다시 말해, 1차 침출단계(S210)에서도 경우에 따라 황산과 과산화수소를 동시에 주입할 수도 있다.
이처럼, 코발트, 망간 및 니켈은 1차 침출단계(S210)와 2차 침출단계(S220)를 통하여 환원되어 침출될 수 있다. 또한, 침출단계(S200)를 통하여 양극활물질이 침출된 용액은 침출액으로 명명될 수 있다.
도 6을 참조하면, 침전단계(S300)에서는 침출액을 소정 온도 범위로 승온시킬 수 있으며, 침출액에 포함된 불순물을 제거할 수 있다. 이러한 침전단계(S300)는 승온단계(S310) 및 불순물 제거단계(S320)를 포함할 수 있다.
승온단계(S310)는 침출액을 소정 온도 범위로 승온시킬 수 있다. 예를 들어, 승온단계(S310)에서는 침출액을 85℃ 내지 95℃ 범위의 온도로 승온시킬 수 있다.
불순물 제거단계(S320)에서는 승온단계(S310)를 통해 소정 온도 범위로 승온된 침출액 내의 불순물을 제거할 수 있다. 예를 들어, 불순물 제거단계(S320)에서는 탄산나트륨(Na2CO3)을 침출액에 주입하여 침출액 내의 불순물을 제거할 수 있다. 또한, 탄산나트륨이 주입된 침출액의 pH는 4 내지 5일 수 있다. 한편, 불순물 제거단계(S320)에서 제거되는 불순물은 구리, 철 및 알루미늄 중 하나 이상일 수 있으며, 구리, 철 및 알루미늄은 침출액에 다양한 함량으로 포함되어있을 수 있다. 더 자세한 예시로, 불순물 제거단계(S320)에서는 활물질 분리단계(S150)에서 제1 활물질로부터 분리되지 않고, 침출액에 포함된 구리를 제거하기 위하여 침출액에 탄산나트륨(Na2CO3)을 주입할 수 있다. 이 경우, 침출단계(S200)에서 침출액에 혼합된 구리를 탄산나트륨(Na2CO3)을 통하여 제거할 수 있다.
혼합용매 제공단계(S400)는 P204(Di(2-ethylhexyl)phosphoric acid (D2EPHA)), C272(Bis-2,4,4-trimethylpentyl phosphinic acid) 및 P507(2-Ethylhexyl-2-Ethylhexyl phosphate) 중 하나 이상과 케로신(kerosene)을 혼합한 혼합용매를 제공할 수 있다. 여기서 혼합용매는 P204와 케로신을 혼합한 제1 혼합용매, C272와 케로신을 혼합한 제2 혼합용매 및 P507과 케로신을 혼합한 제3 혼합용매를 포함할 수 있다. 이러한 혼합용매 제공단계(S400)에서 제공되는 제1 혼합용매는 후술할 분리단계(S510)에서 사용될 수 있으며, 제2 혼합용매는 후술할 망간 회수단계(S520)에서 사용될 수 있으며, 제3 혼합용매는 후술할 코발트 회수단계(S530) 및 니켈 회수단계(S540)에서 사용될 수 있다.
도 7을 참조하면, 회수단계(S500)에서는 불순물 제거단계(S320)에서 불순물이 제거된 침출액과 혼합용매 제공단계(S400)에서 제공된 혼합용매를 혼합하여 망간, 코발트 및 니켈 중 하나 이상을 회수할 수 있다. 예를 들어, 회수단계(S500)는 카운터 플로우(counter flow)를 형성하는 다단 믹서-세틀러(mixer-settler)를 이용하여 상기 망간, 코발트 및 니켈 중 하나 이상을 회수할 수 있다. 이러한 회수단계(S500)는 용매 분리단계(S510), 망간 회수단계(S520), 코발트 회수단계(S530) 및 니켈 회수단계(S540)를 포함할 수 있다.
용매 분리단계(S510)는 불순물 제거단계(S320)에서 불순물이 제거된 침출액과 제1 혼합용매를 혼합하여 코발트 및 니켈과 망간을 분리할 수 있다. 즉, 용매 분리단계(S510)는 침출액을 망간을 포함하는 제1 침출액과 코발트 및 니켈을 포함하는 제2 침출액으로 분리할 수 있다. 예를 들어, 용매 분리단계(S510)는 침출액과 제1 혼합용매의 혼합물로부터 다단 믹서-세틀러를 이용하여 제1 침출액과 제2 침출액으로 분리할 수 있다.
망간 회수단계(S520)는 용매 분리단계(S510)에서 분리된 제1 침출액과 제2 혼합용매를 혼합하여 망간을 회수할 수 있다. 여기서 제1 침출액은 망간뿐만 아니라 칼슘(Ca), 구리(Cu) 등을 포함할 수 있으며, 제2 혼합용매를 제1 침출액과 혼합하는 경우 망간을 칼슘 및 구리로부터 분리할 수 있다. 다시 말해, 제2 혼합용매를 제1 침출액과 혼합하여 구리를 제거한 이후, 제2 혼합용매를 구리가 제거된 제1 침출액과 혼합하면 망간을 칼슘으로부터 분리할 수 있다. 예를 들어, 망간 회수단계(S520)는 제1 침출액과 제2 혼합용매의 혼합물로부터 다단 믹서-세틀러를 이용하여 망간을 추출할 수 있다.
코발트 회수단계(S530)는 용매 분리단계(S510)에서 분리된 제2 침출액과 제3 혼합용매를 혼합하여 코발트를 회수할 수 있다. 예를 들어, 코발트 회수단계(S530)는 제2 침출액과 제3 혼합용매의 혼합물로부터 다단 믹서-세틀러를 이용하여 코발트를 추출할 수 있다.
니켈 회수단계(S540)는 용매 분리단계(S510) 및 코발트 회수단계(S530)를 통하여 제2 침출액으로부터 코발트가 제거된 제3 침출액과 제3 혼합용매를 혼합하여 니켈을 회수할 수 있다. 예를 들어, 니켈 회수단계(S540)는 망간 및 코발트가 제거된 제3 침출액과 제3 혼합용매의 혼합물로부터 다단 믹서-세틀러를 이용하여 니켈을 추출할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 용매 분리단계(S510), 망간 회수단계(S520), 코발트 회수단계(S530) 및 니켈 회수단계(S540)는 순차적으로 수행되는 것으로 서술하였지만, 이는 예시에 불과하고, 이로 인해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 따라서, 용매 분리단계(S510), 망간 회수단계(S520), 코발트 회수단계(S530) 및 니켈 회수단계(S540)가 수행되는 순서는 변경될 수도 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법(S1)은 전처리단계(S100)에서 그래파이트 및 구리를 양극활물질로부터 별도로 분리할 수 있다. 이 경우 침출단계(S200)에서는 그래파이트 및 구리가 제거된 양극활물질이 침출되며, 양극활물질을 침출시키기 위한 황산의 양을 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 침출단계(S200)에서 필요한 황산의 양을 절감시켜 침출 효율을 향상시킬 수 있으며, 침출을 위한 공간을 최소화할 수 있으며, 황산에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 침출단계(S200)에서 침출액에 포함된 그래파이트 및 구리를 최소화함으로써 회수단계(S500)에서 망간, 코발트 및 니켈의 회수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 철 및 구리가 제거되지 않고 침출액에 포함된다 하더라도 불순물 제거단계(S320)에서 철 및 구리를 제거하여 회수단계(S500)에서 망간, 코발트 및 니켈의 회수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기술적 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
Claims (12)
- 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법에 있어서,
상기 폐배터리는 제1 잔여물질과 양극활물질을 포함하는 제1 활물질, 제2 잔여물질과 음극활물질을 포함하는 제2 활물질 및 바인더를 포함하고,
상기 제2 잔여물질과 상기 음극활물질을 결합시키는 상기 바인더 중 어느 일부를 제거하기 위하여 상기 폐배터리를 제1 온도범위로 가열하는 1차 가열단계;
상기 1차 가열단계에서 상기 어느 일부의 바인더가 제거됨으로써 결합이 해제된 상기 제2 잔여물질과 상기 음극활물질을 상기 제1 활물질로부터 분리시키는 활물질 분리단계; 및
상기 활물질 분리단계에서 분리된 상기 제1 활물질에 포함된 상기 제1 잔여물질과 상기 양극활물질을 결합시키는 상기 바인더 중 다른 일부를 제거하기 위하여 상기 활물질 분리단계에서 분리된 상기 제1 활물질을 상기 제1 온도범위보다 높은 온도 범위인 제2 온도범위로 가열하는 2차 가열단계를 포함하는,
폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 잔여물질은 구리(cu)를 포함하고,
상기 활물질 분리단계는, 상기 구리의 광학적 특성을 이용하여 상기 구리를 상기 제1 활물질로부터 분리시키는,
폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 잔여물질은 알루미늄(Al)을 포함하고,
상기 2차 가열단계 이후 상기 제1 활물질 중 어느 일부는 상기 다른 일부의 바인더가 제거됨으로써 상기 알루미늄과 상기 양극활물질 간의 결합이 해제되고, 상기 제1 활물질 중 다른 일부는 상기 알루미늄과 상기 양극활물질 간의 결합이 유지되며,
상기 어느 일부의 제1 활물질로부터 상기 양극활물질을 선별하는 1차 양극활물질 선별단계;
상기 다른 일부의 제1 활물질을 분쇄하는 제1 활물질 분쇄단계; 및
분쇄된 상기 다른 일부의 제1 활물질로부터 양극활물질을 선별하는 2차 양극활물질 선별단계를 더 포함하는,
폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 1차 양극활물질 선별단계 및 상기 2차 양극활물질 선별단계는 100 이상 150 이하의 메쉬를 가지는 진동스크린을 통하여 상기 양극활물질을 선별하는,
폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법. - 제 3 항에 있어서,
제1 활물질 분쇄단계는 상기 다른 일부의 제1 활물질을 볼밀(ball mill), 해머밀(hammer mill) 및 임팩트밀(impact mill) 중 하나 이상을 통하여 분쇄하는,
폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 1차 가열단계 이후 상기 제2 잔여물질과 상기 음극활물질 간의 결합이 유지된 제2 활물질을 분쇄하는 제2 활물질 분쇄단계; 및
분쇄된 상기 제2 활물질로부터 음극활물질을 선별하는 음극활물질 선별단계를 더 포함하고,
상기 제2 잔여물질은 구리(cu)를 포함하며,
상기 음극활물질은 그래파이트(graphite)를 포함하는,
폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 음극활물질 선별단계는 100 이상 150 이하의 메쉬를 가지는 진동스크린을 통하여 상기 음극활물질을 선별하는,
폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법. - 제 6 항에 있어서,
제2 활물질 분쇄단계는 상기 제2 활물질을 볼밀(ball mill), 해머밀(hammer mill) 및 임팩트밀(impact mill) 중 하나 이상을 통하여 분쇄하는,
폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 온도범위는 200℃ 내지 300℃ 이고,
상기 제2 온도범위는 550℃ 내지 650℃ 인,
폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 어느 일부의 바인더는 상기 제1 온도범위에서 녹는 스티렌부타디엔고무(styrene butadiene rubber, SBR)을 포함하고,
상기 다른 일부의 바인더는 상기 제2 온도범위에서 녹는 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF)를 포함하는,
폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
산(acid) 및 과산화수소(H2O2) 중 하나 이상과 상기 양극활물질 혼합하여 상기 양극활물질이 침출된 침출액을 획득하는 침출단계; 및
상기 침출단계에서 획득된 상기 침출액으로부터 망간, 코발트 및 니켈 중 하나 이상을 회수하는 회수단계를 더 포함하는,
폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법. - 폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법에 있어서,
상기 폐배터리는 제1 잔여물질과 양극활물질을 포함하는 제1 활물질 및 제2 잔여물질과 음극활물질을 포함하는 제2 활물질을 포함하고,
상기 제2 잔여물질과 상기 음극활물질 간의 결합이 해제되도록 상기 폐배터리를 제1 온도범위로 가열하는 1차 가열단계;
상기 1차 가열단계 이후에 수행되며, 상기 폐배터리로부터 철(Fe)를 제거하는 철 제거단계;
상기 1차 가열단계에서 결합이 해제된 상기 제2 잔여물질과 상기 음극활물질을 상기 제1 활물질로부터 분리시키는 활물질 분리단계; 및
상기 제1 잔여물질과 상기 양극활물질 간의 결합이 해제되도록 상기 활물질 분리단계에서 분리된 상기 제1 활물질을 상기 제1 온도범위보다 높은 온도 범위인 제2 온도범위로 가열하는 2차 가열단계를 포함하는,
폐배터리 전처리단계를 포함하는 폐배터리로부터 유가금속을 회수하는 방법.
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