KR20240127242A

KR20240127242A - 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템 및 이를 이용한 리튬이온 배터리 양극물질 회수 방법

Info

Publication number: KR20240127242A
Application number: KR1020230069124A
Authority: KR
Inventors: 이하백; 이시영
Original assignee: 이하백; 이시영
Priority date: 2023-02-15
Filing date: 2023-05-30
Publication date: 2024-08-22
Also published as: US20240274908A1; KR102540803B1; EP4417313A1

Abstract

본 발명은, 리튬이온 배터리 재활용 공정에서 발생하는 양극물질 파우더의 비산으로 인한 회수율 개선과, 배터리 파쇄 공정 중 화재 및 폭발 등의 위험요소를 극복할 수 있는 안전성이 확보된 리튬이온 배터리 재활용 공정을 제공하기 위하여, 파쇄기, 건조기, 제1분리기, 제1진동스크린, 제2분리기, 제2진동스크린 및 와전류선별기와, 상기 제1분리기, 상기 제2분리기, 상기 제1진동스크린 및 상기 제2진동스크린에서 발생한 분진을 회수하는 집진기를 포함하고, 상기 파쇄기, 상기 드라이어, 상기 제1분리기, 상기 제1진동스크린, 상기 제2분리기, 상기 제2진동스크린, 상기 와전류선별기, 및 상기 집진기는 외기의 유입이 방지되도록 밀폐되고, 비활성 기체 환경에서 운영되는 리튬 이온 배터리 양극물질 회수 시스템 및 이의 방법을 제공한다.

Description

리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템 및 이를 이용한 리튬이온 배터리 양극물질 회수 방법 {LITHIUM ION BATTERY POSITIVE ELECTRODE MATERIALS RECOVERY SYSTEM AND LITHIUM ION BATTERY POSITIVE ELECTRODE MATERIALS RECOVERY METHOD USING THEREOF}

본 발명은 리튬이온 배터리의 재활용에 관한 것으로, 상세하게는 리튬이온 배터리에 사용되는 고가의 금속 및 금속 산화물 재료들을 효과적으로 회수하기 위한 공정과 양극물질의 회수율을 높이기 위한 추가 회수 시설에 관한 것이다.

현재 심각한 기후변화 문제에 따라 화석연료의 사용을 줄이기 위한 노력이 다양한 분야에서 이루어지고 있다. 특히 내연기관 자동차에서 이차전지를 이용하는 전기자동차로의 전환은 가장 큰 변화 중 하나이다. 이에 따라, 전기자동차의 보급과 사용이 증가되면서 이차전지에 사용되는 유가금속에 대한 회수 및 재활용 방안에 대한 활발한 연구 및 개발이 이루어지고 있다.

전기자동차 및 에너지 저장 시스템(ESS)에 가장 보편적으로 적용되는 이차전지인 리튬이온 배터리는 NCM, LFP, LCO, LMO 등 재료의 구성에 따라 다양하다. 국내는 주로 NCM 배터리가 사용되고 있고 해외에서도 가장 큰 비중을 차지한다. NCM 배터리는 Nickel, Cobalt, Manganese 등의 세가지 금속을 산화 처리하여 만들어진 NCM oxide를 양극물질의 전구체로 활용하고 있다. 그리고 NCM oxide에 Lithium을 결합시킨 것이 양극물질로 활용된다.

그런데 양극물질 중 Cobalt는 가격이 매우 높고 수급에도 큰 어려움이 있어 안정적인 배터리 생산을 위해 재활용이 필수적인 금속이다. 또한 배터리의 수요가 증가됨에 따라 Nickel 및 Lithium 등의 가격도 매우 가파르게 상승하고 있다. 뿐만 아니라 리튬이온 배터리 재활용에 대한 강력한 규제 또한 시행될 것으로 보인다. 현재 관련 규제를 가장 빠르게 진행하고 있는 곳은 유럽인데, 유럽은 리튬이온 배터리 생산 시 재활용된 재료를 일정 부분 사용하게 하고 그 양도 단계별로 증가시켜야 한다는 규제 방안을 이미 도출하였다. 게다가 재활용 공정에서 재활용 효율에 대한 규제치를 설정하여 일정 이상 재활용 효율에 반드시 도달해야만 하는 환경도 조성하고 있다. 이에 따라 리튬이온 배터리의 재활용 공정 개발에서 주요 물질에 대한 회수율이 매우 중요한 요소가 되었고, 그 기준을 충족할 수 있는 리튬이온 배터리 재활용 공정 개발이 필요하다.

종래의 양극물질 회수를 위한 처리 방법 중 양극을 강산성 용액으로 용해시킨 다음, 용해액의 리튬, 코발트, 니켈과 같은 고가 금속을 상호 분리하여 회수하는 방법이 있었다. 그러나, 우선 각각의 금속을 고순도로 분리시키기 위한 공정비용이 과다하게 소요될 뿐만 아니라 양극 용해 시 강산을 사용해야 하기 때문에 심각한 환경오염과, 산에 의한 설비 부식 등의 문제가 있었다. 또한 산화기체 분위기 하에서 양극물질을 회수할 경우 부산물의 발생으로 양극물질의 회수가 용이하지 않다는 문제점이 있다.

이에 따라, 배터리를 파쇄 및 분쇄하고 기계적으로 배터리의 각 구성 물질, 특히 양극물질을 미립화(파우더)하여 회수하는 방법을 적용하여 환경오염을 줄이는 방법이 검토되었다. 그러나, 공정 단계에서 발생하는 양극물질 분진(파우더)이 비산되는 현상이 발생하게 되고, 공정 손실이 발생할 수밖에 없어, 이의 개선이 필요하다. 또한, 리튬이온 배터리 재활용 공정은 배터리 파쇄 공정을 포함에 따라, 리튬이온 배터리 파쇄 시 합선(Short circuit)이 일어나 화재나 폭발로 이어질 수 있어, 화재 및 폭발 등의 위험요소를 극복할 수 있는 리튬이온 배터리 재활용 공정 개발이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 리튬이온 배터리 재활용 공정에서 발생하는 양극물질 분진(파우더)의 비산으로 인한 회수율 손실의 개선에 그 목적이 있으며, 배터리 파쇄 공정 중 화재 및 폭발 등의 위험요소를 극복할 수 있는 안전성이 확보된 리튬이온 배터리 재활용 공정의 제공에 그 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 리튬이온 배터리를 물리적으로 파쇄하여 1차 파쇄물을 생성하는 파쇄기; 상기 1차 파쇄물을 건조시키는 건조기; 상기 건조기를 통과한 상기 1차 파쇄물에서 양극물질을 분리하기 위하여 물리적 충격을 가하여 2차 파쇄물을 생성하는 제1분리기; 상기 제1분리기를 통과한 상기 2차 파쇄물에서 상기 양극물질의 비중, 면밀도(Area density) 및 크기 차이를 이용하여 분리 후 상기 양극물질을 회수하고 3차 파쇄물을 생성하는 제1진동스크린; 상기 제1진동스크린을 통과한 상기 3차 파쇄물에서 상기 양극물질을 분리하기 위하여 물리적 충격을 가하여 4차 파쇄물을 생성하는 제2분리기; 상기 제2분리기를 통과한 상기 4차 파쇄물에서 상기 양극물질의 비중, 면밀도(Area density) 및 크기 차이를 이용하여 분리 후 상기 양극물질을 회수하고 비철금속 및 비금속을 배출하는 제2진동스크린; 상기 제1분리기, 상기 제2분리기, 상기 제1진동스크린 및 상기 제2진동스크린 중 적어도 어느 하나에서 발생한 분진을 회수하는 집진기; 및 상기 제2진동스크린에서 배출한 상기 비철금속 및 비금속을 선별하는 와전류선별기;를 포함하고, 상기 파쇄기, 상기 건조기, 상기 제1분리기, 상기 제1진동스크린, 상기 제2분리기, 상기 제2진동스크린, 및 상기 와전류선별기는 순서대로 컨베이어가 연결되어 상기 1차 파쇄물, 상기 2차 파쇄물 상기 3차 파쇄물, 상기 4차 파쇄물 및 상기 비철금속 및 비금속이 자동으로 운반되도록 하여 리튬이온 배터리로부터 양극물질이 분리되는 공정이 연속적으로 수행되되 양극물질 분진을 효과적으로 회수하여 회수율을 향상시킬 수 있는, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템을 이용한 양극물질 회수 방법에 있어서, 상기 리튬이온 배터리를 상기 파쇄기로 파쇄하여 상기 1차 파쇄물을 생성하는 리튬이온 배터리 파쇄 단계; 상기 1차 파쇄물을 상기 건조기에서 건조시키는 1차 파쇄물 건조 단계; 상기 1차 파쇄물 건조 단계에서 건조된 상기 1차 파쇄물에서 상기 양극물질을 회수하는 양극물질 회수 단계; 및 상기 양극물질 회수 단계를 통과한 상기 비금속 및 상기 비철금속을 상기 와전류선별기를 이용하여 분리함으로써 상기 비금속과 상기 비철금속을 분리하여 회수하는 비금속 및 비철금속 회수 단계;를 포함하는, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 양극물질 회수 공정 중에 발생하는 양극물질 분진을 효과적으로 포집 후 2차로 회수하여 재활용 공정에서 발생하는 공정 손실을 감소시킬 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전체 공정을 외부 공기와 차단하고, 비활성 기체 환경에서 운영하여 화재, 폭발 등의 위험을 방지할 수 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템에 대한 모식도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 배터리 양극물질 회수 방법에 대한 순서도이다.

이하, 본 발명의 실시예들이 상세하게 설명된다. 그러나 본 발명이 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 내용을 더 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

본 명세서에서 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다.

본 명세서에서, '상부' 또는 '하부' 라는 용어는 관찰자의 시점에서 설정된 상대적인 개념으로, 관찰자의 시점이 달라지면, '상부'가 '하부'를 의미할 수도 있고, '하부'가 '상부'를 의미할 수도 있다.

이하 도면을 참고하여 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템 및 이의 방법을 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템에 대한 모식도이다.

도 1을 참조하면, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템은 파쇄기(100) 및 건조기(200)를 포함할 수 있다.

파쇄기(100)는 리튬이온 배터리를 물리적으로 파쇄하기 위한 설비이다. 예를 들어, 1축 파쇄기, 2축 파쇄기, 3축 파쇄기, 4축 파쇄기 및 이들의 조합에서 선택될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는, 투입용량 및 파쇄할 리튬이온 배터리의 크기를 감안하여 4축 파쇄기를 사용할 수 있다. 이에 따라, 상기 리튬이온 배터리를 10 ~ 100 mm 크기로 파쇄하여 1차 파쇄물을 생성할 수 있다. 바람직하게는 50mm 이하의 크기로 파쇄하여 1차 파쇄물을 생성할 수 있다.

파쇄기(100)는 상부에 파쇄기 호퍼(110)가 구비될 수 있다. 이때, 파쇄기 호퍼(110) 상단에 제1게이트(111)가 형성되고, 제1게이트(111)와 소정의 간격을 두고 파쇄기 호퍼(110) 하단에 제2게이트(112)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 파쇄기 호퍼(110)를 통하여 파쇄기(100)에 상기 리튬이온 배터리가 투입될 때, 파쇄기(100) 내부가 외부로 노출되는 상황을 최소화할 수 있다.

예를 들어, 상기 리튬이온 배터리를 파쇄기 호퍼(110)에 투입하기 위하여 제2게이트(112)는 닫혀 있는 상태에서, 제1게이트(111)를 개방한다. 개방된 제1게이트(111)를 통하여 상기 리튬이온 배터리를 투입한 후 제1게이트(111)를 닫은 후, 제2게이트(112)를 개방하여, 파쇄기(100)로 상기 리튬이온 배터리가 투입될 수 있다. 이에 따라, 가동중인 파쇄기(100) 내부가 외부로 노출되는 상황을 최소화할 수 있어 안전을 확보할 수 있고, 외부 공기의 유입을 방지할 수 있다.

파쇄기 호퍼(110)에는 비활성 기체 공급라인(10)과 물 공급라인(20)이 연결될 수 있다. 예를 들어, 비활성 기체 공급라인(10)은 제1게이트(111)와 제2게이트(112) 사이 및 제2게이트(112)와 파쇄부(120) 사이에 연결되어 비활성 기체를 공급할 수 있다. 이때 상기 비활성 기체는 N2, CO2 및 Ar 중 하나 이상 선택될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 이에 따라, 파쇄기(100) 내부에 상기 비활성 기체가 충진되어 파쇄기(100)에서 파쇄된 상기 리튬이온 배터리의 소재가 외부 공기(예를 들어, 산소)에 노출됨에 따른 화재나 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다. 또한, 비활성 기체 공급라인(10)을 통하여 공급되는 상기 비활성 기체는 외부 공기와 차단되어 운영되는 상기 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템에 충진될 수 있도록 지속 공급될 수 있다.

또한, 물 공급라인(20)은 제2게이트(112)와 파쇄부(120) 사이에 연결되어 물을 공급할 수 있다. 이때 상기 물은 공업용수가 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 이에 따라, 파쇄기(100)에서 상기 리튬이온 배터리를 파쇄할 때, 상기 리튬이온 배터리의 소재들의 반응 또는 합선 등에 의하여 파쇄기(100) 내부 온도가 상승하거나, 공정이상에 따른 화재 및 폭발 위험성이 감지되었을 때 상기 물을 투입하여 파쇄기(100) 내부 온도를 낮춰, 화재나 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.

파쇄기(100)는 파쇄기(100)의 배출단에 탈수부(130)가 구비될 수 있다. 파쇄기(100)에서 상기 리튬이온 배터리가 파쇄되어 생성된 상기 1차 파쇄물은 폐배터리 구조물, 음극(예를 들어, 구리에 흑연 및 바인더, 첨가제 혼합물 코팅), 분리막 및 양극(예를 들어, 알루미늄에 양극물질 및 바인더 코팅)등의 고형 물질과, 액상의 물질인 상기 리튬이온 배터리의 내부에 포함되어 있는 전해질, 유분 및 물 공급라인(20)을 통해 유입된 상기 물이 혼합되어 상기 배출단으로 배출될 수 있다.

이에 따라, 탈수부(130)에서 다음 설비로 상기 액상의 물질이 유입되지 않도록 상기 1차 파쇄물에서 상기 액상의 물질을 분리할 수 있다. 예를 들어, 탈수부(130)는 원심 탈수기 또는 스크류 프레스 등이 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 이때, 탈수부(130)는 외부 공기와 차단되어 있어, 파쇄기(100)에 충진된 상기 비활성 기체가 탈수부(130)에도 충진 될 수 있다.

건조기(200)는 탈수부(130)에 연결되어 탈수부(130)에서 배출된 상기 액상의 물질이 분리된 상기 1차 파쇄물을 건조하기 위한 설비이다. 상기 1차 파쇄물은 상기 액상의 물질을 흡수하며, 탈수부(130)에서 완전히 분리되지 않은 상기 액상의 물질이 소량이라도 포함될 수 있다.

이에 따라, 이후 공정에서 양극물질을 분리하기 위하여 상기 1차 파쇄물을 건조시켜야 한다. 예를 들어, 50~120℃의 조건에서 상기 1차 파쇄물을 건조시킬 수 있되, 바람직하게는, 상기 리튬이온 배터리에 적용되는 유기용매의 인화점(flash point)을 고려하여 온도 조건을 설정할 수 있다. 예를 들어, 70~90℃의 조건에서 상기 1차 파쇄물을 건조시킬 수 있다.

이때, 건조기(200)는 외부 공기와 차단되어 있어, 파쇄기(100)에 충진된 상기 비활성 기체가 건조기(200)에도 충진 될 수 있으며, 열교환기(210)에서 가열된 상기 비활성 기체가 건조기(200)에 투입되어 건조기(200)에 충진될 수 있다.

건조기(200)에서 건조 시 발생하는 유증기는 별도로 수집되어, 공장에 있는 가스처리 시설에서 후처리를 진행한다.

건조기(200)에서 건조가 완료된 상기 1차 파쇄물은 컨베이어(1000)를 이용하여 제1분리기(도 2, 300)로 이동시킨다. 이때 건조기(200)와 컨베이어(1000)가 연결된 연결부와, 컨베이어(1000)는 외부 공기와 차단되어 있어, 파쇄기(100) 및 건조기(200)에서 투입된 상기 비활성 기체로 충진될 수 있다.

도 2를 참조하면, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템은 제1분리기(300), 제1진동스크린(400), 제2분리기(500), 제2진동스크린(600) 및 집진기(800)를 포함할 수 있다.

제1분리기(300)는 컨베이어(1000a)를 통해 이송된 상기 1차 파쇄물에서 양극물질을 분리하기 위한 설비이다. 상기 1차 파쇄물은 파쇄된 폐배터리 구조물, 음극(예를 들어, 구리에 흑연 및 바인더, 첨가제 혼합물 코팅), 분리막 및 양극(예를 들어, 알루미늄에 양극물질 및 바인더 코팅) 등으로 구성되어 있는데, 상기 양극의 상기 양극물질은 상기 바인더와 함께 상기 알루미늄에 코팅되어 있다. 이에 따라, 상기 1차 파쇄물에서 상기 양극물질을 분리하기 위해 물리적 충격을 가하여 상기 알루미늄에서 상기 양극물질이 떨어질 수 있도록 처리해야 한다. 따라서, 상기 1차 파쇄물을 제1분리기(300)에 투입하여 물리적 충격을 가하여 상기 양극물질을 상기 알루미늄에서 분리한다. 이에 따라, 상기 알루미늄에서 분리된 상기 양극물질과 기타 고형물질이 혼합된 2차 파쇄물이 생성될 수 있다. 예를 들어, 해머 분리기(hammer separator, hammer mill)를 이용하여 상기 양극물질을 상기알루미늄에서 분리시킬 수 있되 이에 제한되지 않는다.

제1분리기(300)는 상단에 제1분리기 후드(310)가 구비될 수 있다. 제1분리기(300)는 외부 공기와 차단된 컨베이어(1000a)와 연결되고, 제1분리기(300)도 외부 공기와 차단되어 있어 제1분리기(300)에서 공정 중 발생하는 분진이 외부로 유출될 가능성이 낮다. 그러나, 제1분리기(300)의 배출구로 상기 분진이 잘 배출되지 않는 경우가 발생하여, 제1분리기(300)에서 상기 분진이 머물게 되어 상기 양극물질의 회수 효율이 열악해질 수 있다. 이에 따라, 제1분리기 후드(310)를 통하여 상기 분진을 회수하여 상기 양극물질의 회수 효율을 증대시킬 수 있다. 이때, 제1분리기 후드(310)에는 이송 파이프(700)가 연결되어 상기 분진이 집진기(800)로 이송될 수 있다.

제1분리기(300)는 외부 공기와 차단된 컨베이어(1000a)를 통하여 건조기(도 1, 200)와 연결되어 있어, 건조기(도 1, 200) 내부에 충진되어 있는 상기 비활성 기체가 제1분리기(300)에 유입되어 제1분리기(300)도 상기 비활성 기체로 충진될 수 있다. 이에 따라, 제1분리기(300)의 작업중 발생할 수 있는 스파크나 발열에 의한 화재나 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.

제1분리기(300)의 배출구에서 배출된 상기 양극물질과 상기 기타 고형물질이 혼합된 상기 2차 파쇄물은 외부 공기와 차단된 컨베이어(1000b)를 통하여 제1분리기(300)에서 제1진동스크린(400)으로 이송될 수 있다. 이때, 컨베이어(1000b) 말단에 진동 피더(3000a)가 더 설치될 수 있다. 진동 피더(3000a)는 컨베이어(1000b)에서 유출되는 상기 2차 파쇄물이 균일하게 펼쳐져 제1진동스크린(400)으로 유입될 수 있도록 소정 강도의 진동을 일으키면서 상기 2차 파쇄물을 이송할 수 있다. 이때 진동 피더(3000a)는 외부 공기와 차단된 형태로 컨베이어(1000b) 및 제1진동스크린(400)의 유입부와 연결되어 있어 진동 피더(3000a)에서 발생하는 분진이 외부 공기로 유출되지 않도록 할 수 있다.

제1진동스크린(400)은 제1진동스크린(400)으로 유입된 상기 2차 파쇄물에서 상기 양극물질과 상기 기타 고형물질을 비중, 면밀도(Area density) 및 크기의 차이를 이용하여 분리할 수 있다. 예를 들어, 제1진동스크린(400)은 직사각형으로 수평으로 펼쳐져 있되, 진행 방향과 좌우 기울기의 조절이 가능하고 진동의 세기 조절이 가능한 진동판이 장착될 수 있다. 이때, 상기 진동판은 요철 가공이 적용될 수 있다. 상기 진동판이 장착된 제1진동스크린(400)의 한쪽으로 상기 2차 파쇄물을 투입한 후 상기 진동판을 작동시킬 경우 상기 2차 파쇄물이 기울기 방향을 따라 진동의 영향으로 이동하게 된다. 이때, 상기 2차 파쇄물의 비중 또는 면밀도에 따라 상기 진동판에서 치우치는 정도가 차이가 날 수 있다. 예를 들어, 비중 또는 면밀도가 낮을수록 기울어짐에 영향을 크게 받게 되어, 상기 진동판의 좌우 기울기의 영향에 따라 제1진동스크린(400)의 끝단까지 이동하지 못하고, 제1진동스크린(400)의 측면으로 배출될 수 있다. 일반적으로 비중 및 면밀도는 양극물질 >> Cu >= Al > 분리막 순으로 높아, 상기와 같은 방식으로 양극물질을 효과적으로 분리할 수 있다.

또한, 제1진동스크린(400)은 스크리닝 매트를 더 포함할 수 있다. 상기 스크리닝 매트는 미세한 통공히 형성되어 상기 2차 파쇄물에서 상기 양극물질과 상기 양극물질 대비 상대적으로 큰 사이즈의 기타 고형물질을 분리할 수 있다. 상기 스크리닝 매트 위에 상기 2차 파쇄물을 이동시키면서 상기 스크리닝 매트를 진동시키면, 상기 스크리닝 매트의 상기 통공을 통하여 양극물질이 상기 스크리닝 매트 하부로 빠져나오게 된다.

이때 상기 기타 고형물질은 상기 스크리닝 매트의 상기 통공을 통과하지 못하고 상기 스크리닝 매트를 따라 이동하여 3차 파쇄물로 배출되게 된다. 이에 따라, 상기 스크리닝 매트 하부로 빠져나온 상기 양극물질을 별도로 회수할 수 있다. 이때, 상기 스크리닝 매트의 상기 통공의 크기는 0.1~3mm 일 수 있다. 바람직하게는 상기 스크리닝 매트의 상기 통공의 크기는 1~2mm일 수 있고, 상기 수치범위 내에서 상기 양극물질과 상기 기타 고형물질을 효과적으로 분리할 수 있다.

제1진동스크린(400)에서 분리된 상기 양극물질은 제1진동스크린(400)의 하단에 연결된 스크류 컨베이어(2000a)를 통하여 양극물질 회수통(4000a)로 이송될 수 있다. 이때, 스크류 컨베이어(2000a)는 외부 공기와 차단이 용이하고, 다양한 각도의 이송에 유리하며, 상기 분진과 같이 미세한 입자의 물질을 분진의 발생을 최소화하여 이송하기에 적합하다. 예를 들어, 파이프 스크류 컨베이어 타입 및 U형 스크류 컨베이어 타입이 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다.

제1진동스크린(400)은 상단에 제1진동스크린 후드(410)을 포함할 수 있다. 제1진동스크린(400)은 외부 공기와 차단된 컨베이어(1000b)와 진동 피더(3000a)에 연결되고, 제1진동스크린(400)도 외부 공기와 차단되어 있어 제1진동스크린(400)에서 공정 중 발생하는 분진이 외부로 유출될 가능성은 낮다. 그러나, 분진이 제1진동스크린(400)의 하단에 연결된 스크류 컨베이어(2000a)로 잘 배출되지 않고, 제1진동스크린(400)에서 머물게 되거나 다음 공정으로 넘어가게 되는 경우 상기 양극물질을 회수함에 있어 효율이 열악해질 수 있다. 이에 따라, 제1진동스크린 후드(410)를 통하여, 상기 분진을 회수하여 상기 양극물질의 회수 효율을 증대시킬 수 있다. 이때, 제1진동스크린 후드(410)에는 이송 파이프(700)가 연결되어 상기 분진이 집진기(800)로 이송될 수 있다.

제1진동스크린(400)은 외부 공기와 차단된 컨베이어(1000b)를 통하여 제1분리기(300)와 연결되어 있어, 제1분리기(300) 내부에 충진 되어있는 상기 비활성 기체가 제1진동스크린(400)에 유입되어 제1진동스크린(400)도 상기 비활성 기체로 충진될 수 있다. 이에 따라, 제1진동스크린(400)의 작업중 발생할 수 있는 스파크나 발열에 의한 화재나 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.

제1진동스크린(400)에서 배출된 상기 3차 파쇄물은 제1진동스크린 배출구(420)를 통하여 배출되고, 외부 공기와 차단된 컨베이어(1000c)를 통하여 제2분리기(500)로 이송될 수 있다.

제2분리기(500)는 컨베이어(1000c)를 통해 이송된 상기 3차 파쇄물에서 양극물질을 분리하기 위한 설비이다. 상기 3차 파쇄물은 제1진동스크린(400)에서 분리되지 않은 상기 양극물질과 상기 기타 고형물질을 포함하고 있되, 제1분리기(300) 내의 상기 알루미늄에서 미처 떨어지지 못한 상기 양극물질이 포함되어 있을 수 있다. 이에 따라, 상기 3차 파쇄물을 제2분리기(500)에 투입하고 물리적 충격을 가하여 상기 양극물질을 상기 알루미늄에서 분리함으로써 상기 양극물질 회수 효율을 높일 수 있다. 이에 따라, 상기 알루미늄에서 분리된 상기 양극물질 및 기타 고형물질이 혼합된 4차 파쇄물이 생성될 수 있다. 예를 들어, 해머 분리기(hammer separator, hammer mill)를 이용하여 상기 양극물질을 상기알루미늄에서 분리시킬 수 있되 이에 제한되지 않는다.

제2분리기(500)는 상단에 제2분리기 후드(510)가 구비될 수 있다. 제2분리기(500)는 외부 공기와 차단된 컨베이어(1000c)와 연결되고, 제2분리기(500)도 외부 공기와 차단되어 있어 제2분리기(500)에서 공정 중 발생하는 분진이 외부로 유출될 가능성은 낮다. 그러나, 상기 분진이 제2분리기(500)의 배출구로 잘 배출되지 않고, 제2분리기(500)에서 머물게 되어 상기 양극물질 회수의 효율이 낮아질 수 있다. 이에 따라, 제2분리기 후드(510)를 통하여 상기 분진을 회수하여 상기 양극물질의 회수 효율을 증대시킬 수 있다. 이때, 제2분리기 후드(510)에는 이송 파이프(700)가 연결되어 상기 분진이 집진기(800)로 이송될 수 있다.

제2분리기(500)는 외부 공기와 차단된 컨베이어(1000c)를 통하여 제1진동스크린(400)과 연결되어 있어, 제1진동스크린(400) 내부에 충진 되어있는 상기 비활성 기체가 제2분리기(500)에 유입되어 제2분리기(500)도 상기 비활성 기체로 충진 될 수 있다. 이에 따라, 제2분리기(500)의 작업중 발생할 수 있는 스파크나 발열에 의한 화재나 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.

제2분리기(500)의 배출구에서 배출된 상기 양극물질과 상기 기타 고형물질이 혼합된 4차 파쇄물은 외부 공기와 차단된 컨베이어(1000d)를 통하여 제2분리기(500)에서 제2진동스크린(600)으로 이송될 수 있다. 이때, 컨베이어(1000d) 말단에 진동 피더(3000b)가 더 설치될 수 있다. 진동 피더(3000b)는 컨베이어(1000d)에서 유출되는 상기 4차 파쇄물이 균일하게 펼쳐져 제2진동스크린(600)으로 유입될 수 있도록 소정 강도의 진동을 일으키면서 상기 4차 파쇄물을 이송할 수 있다. 이때 진동 피더(3000b)는 외부 공기와 차단되는 구조로 컨베이어(1000d)와 제2진동스크린(600)의 유입부와 연결되어 있어 진동 피더(3000b)에서 발생하는 분진이 외부 공기로 유출되지 않을 수 있다.

제2진동스크린(600)은 제2진동스크린(600)으로 유입된 상기 4차 파쇄물에서 상기 양극물질과 상기 기타 고형물질을 비중, 면밀도(Area density) 및 크기의 차이를 이용하여 분리할 수 있다. 예를 들어, 제2진동스크린(600)은 직사각형으로 수평으로 펼쳐져 있되, 진행 방향과 좌우 기울기의 조절이 가능하고 진동의 세기 조절이 가능한 진동판이 장착될 수 있다. 이때, 상기 진동판은 요철 가공이 적용될 수 있다. 상기 진동판이 장착된 제2진동스크린(600)의 한쪽으로 상기 4차 파쇄물을 투입한 후 상기 진동판을 작동시킬 경우 상기 4차 파쇄물이 기울기 방향을 따라 진동의 영향으로 이동하게 된다. 이때, 상기 4차 파쇄물의 비중 또는 면밀도에 따라 상기 진동판에서 치우치는 정도가 차이가 날 수 있다. 예를 들어, 비중 또는 면밀도가 낮을수록 기울어짐에 영향을 크게 받게 되어, 상기 진동판의 좌우 기울기의 영향에 따라 제2진동스크린(600)의 끝단까지 이동하지 못하고, 제2진동스크린(600)의 측면으로 배출될 수 있다. 일반적으로 비중 및 면밀도는 양극물질 >> Cu >= Al > 분리막 순으로 높아, 상기와 같은 방식으로 양극물질을 효과적으로 분리할 수 있다.

또한, 제2진동스크린(600)은 스크리닝 매트를 더 포함할 수 있다. 상기 스크리닝 매트는 미세한 통공이 형성되어, 상기 4차 파쇄물에서 상기 양극물질과 상기 양극물질 대비 상대적으로 큰 사이즈의 기타 고형물질을 분리할 수 있다. 상기 스크리닝 매트 위에 상기 4차 파쇄물을 이동시키면서 상기 스크리닝 매트를 진동시키면, 상기 스크리닝 매트의 상기 통공을 통하여 양극물질이 상기 스크리닝 매트 하부로 빠져나오게 된다. 이때 상기 기타 고형물질은 상기 스크리닝 매트의 상기 통공을 통과하지 못하고 상기 스크리닝 매트를 따라 이동하여 상기 기타 고형물질인 비금속 및 비철금속을 배출되게 된다. 이에 따라, 상기 스크리닝 매트 하부로 빠져나온 상기 양극물질을 별도로 회수할 수 있다. 이때, 상기 스크리닝 매트의 상기 통공의 크기는 0.1~3mm 일 수 있다. 바람직하게는 상기 스크리닝 매트의 상기 통공의 크기는 1~2mm일 때 상기 양극물질과 상기 기타 고형물질을 효과적으로 분리할 수 있다.

제2진동스크린(600)에서 분리된 상기 양극물질은 제2진동스크린(600)의 하단에 연결된 스크류 컨베이어(2000b)를 통하여 양극물질 회수통(4000b)로 이송될 수 있다. 이때, 스크류 컨베이어(2000b)는 외부 공기와 차단이 용이하고, 다양한 각도의 이송에 유리하며, 상기 분진과 같이 미세한 입자의 물질을 분진의 발생을 최소화하여 이송하기에 적합하다. 예를 들어, 파이프 스크류 컨베이어 타입 및 U형 스크류 컨베이어 타입이 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다.

제2진동스크린(600)은 상단에 제2진동스크린 후드(610)가 구비될 수 있다. 제2진동스크린(600)은 외부 공기와 차단된 컨베이어(1000d)와 진동 피더(3000b)에 연결되고, 제2진동스크린(600)도 외부 공기와 차단되어 있어 제2진동스크린(600)에서 공정 중 발생하는 분진이 외부로 유출될 가능성이 낮다. 그러나, 상기 분진이 제2진동스크린(600)의 하단에 연결된 스크류 컨베이어(2000b)로 잘 배출되지 않고, 제2진동스크린(600)에서 머물게 되거나 다음 공정으로 넘어가게 되는 경우 상기 양극물질 회수의 효율이 열악해질 수 있다. 이에 따라, 제2진동스크린 후드(610)를 통하여 상기 분진을 회수하여 상기 양극물질의 회수 효율을 증대시킬 수 있다. 이때, 제2진동스크린 후드(610)에는 이송 파이프(700)가 연결되어 상기 분진이 집진기(800)로 이송될 수 있다.

제2진동스크린(600)은 외부 공기와 차단된 컨베이어(1000d)를 통하여 제2분리기(500)와 연결되어 있어, 제2분리기(500) 내부에 충진 되어있는 상기 비활성 기체가 제2진동스크린(600)에 유입되어 제2진동스크린(600)도 상기 비활성 기체로 충진 될 수 있다. 이에 따라, 제2진동스크린(600)의 작업중 발생할 수 있는 스파크나 발열에 의한 화재나 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.

제2진동스크린(600)에서 배출된 상기 비금속 및 비철금속은 제2진동스크린 배출구(620)를 통하여 배출되고, 외부 공기와 차단된 컨베이어(1000e)를 통하여 와전류선별기(도 3, 900)로 이송될 수 있다.

제1분리기 후드(310), 제1진동스크린 후드(410), 제2분리기 후드(510) 및 제2진동스크린 후드(610)를 통하여 회수된 상기 분진은 제1분리기 후드(310), 제1진동스크린 후드(410), 제2분리기 후드(510) 및 제2진동스크린 후드(610)에 연결된 이송 파이프(700)를 통하여 집진기(800)로 이송될 수 있다. 집진기(800)는 공기 여과 타입의 집진기가 적용될 수 있으며 예를 들어 백필터 타입의 집진기가 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다.

집진기(800)는 집진기(800)에 설치된 팬모터를 이용하여 공기를 흡입하여 상기 분진을 집진기(800)에 설치된 필터쪽으로 빨아들이게 된다. 이때 집진기(800)가 공기를 흡입하는 속도를 여과 속도로 표기하게 되는데, 예를 들어 여과 속도는 0.5 ~ 3.0m/sec일 수 있다. 바람직하게는, 0.7~1.1m/sec일 수 있다. 여과 속도가 0.5m/sec 미만일 경우 상기 분진을 빨아들이는 힘이 약해서 상기 분진을 회수하는 효과가 떨어지게 되며, 여과 속도가 3.0m/sec 초과일 경우 상기 필터에 상기 분진이 강하게 흡착되어 상기 분진을 회수하기 어려워지는 단점과 필터 교체 주기가 짧아지는 단점이 있으며, 너무 강한 흡입은 공정내 비산되는 분진의 양을 늘릴 수 있으므로 상기 수치범위의 여과 속도로 구동되는 것이 바람직하다.

집진기(800)를 통하여 회수된 상기 분진은 중력에 의해 집진기(800) 하단에 모이게 되고, 집진기(800) 하단에 형성된 로터리 벨브(미도시)를 통하여 배출된 후 로터리 밸브(미도시)에 연결된 스크류 컨베이어(2000c)를 통하여 이송되어, 제1진동스크린(400)으로 투입될 수 있다. 이때, 스크류 컨베이어(2000c)는 외부 공기와 차단이 용이하고, 다양한 각도의 이송에 유리하며, 상기 분진과 같이 미세한 입자의 물질을 분진의 발생을 최소화하여 이송하기에 적합하다. 예를 들어, 파이프 스크류 컨베이어 타입 및 U형 스크류 컨베이어 타입이 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 이에 따라, 상기 분진에 포함된 상기 양극물질을 회수할 수 있어, 상기 양극물질의 회수 효율을 증대시킬 수 있다.

또한, 집진기(800)가 상기 분진을 빨아들일 때 제1분리기(300), 제1진동스크린(400), 제2분리기(500) 및 제2진동스크린(600)에 충진되어 있던 상기 비활성 기체도 같이 회수될 수 있다. 이때 회수된 상기 비활성 기체는 집진기(800)에 설치된 배기 파이프(810)로 배출되고, 배기 파이프(810)로 배출되는 상기 비활성 기체는 별도로 회수하고 필터링 하여 파쇄기(도 1, 100)에 공급하는 비활성 기체 공급라인(도 1, 10)으로 재공급할 수 있다. 이에 따라, 상기 비활성 기체를 재활용하되 자동으로 순환되도록 하여, 공정의 경재성과 효율성을 확보할 수 있다.

도 3을 참조하면, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템은 와류선별기(900)를 포함할 수 있다.

와류선별기(900)는 컨베이어(1000e)를 통해 이송된 상기 비철금속 및 비금속을 분리하기 위한 설비이다.

제2진동스크린(도 2, 600)에서 배출된 상기 비철금속 및 비금속은 외부 공기와 차단된 컨베이어(1000e)를 통하여 제2진동스크린(도 2, 600)에서 와류선별기(900)로 이송될 수 있다. 이때, 컨베이어(1000e) 말단에 진동 피더(3000c)가 더 설치될 수 있다. 진동 피더(3000c)는 컨베이어(1000e)에서 유출되는 상기 비철금속 및 비금속이 균일하게 펼쳐져 와류선별기(900)로 유입될 수 있도록 소정 강도의 진동을 일으키면서 상기 비철금속 및 비금속을 이송할 수 있다. 이때 진동 피더(3000c)는 외부 공기와 차단된 형태로 컨베이어(1000e)와 와류선별기(900)의 유입부와 연결되어 있어 진동 피더(3000c)에서 발생하는 분진이 외부 공기로 유출되지 않을 수 있다.

와류선별기(900)는 고주파 자기장 유도원리를 이용하여 비철금속을 선별하는 장치이다. 예를 들어, 와류선별기(900)는 비금속 배출단(902) 상부에 위치하고, 컨베이어 밸트(920)를 구동하는 비자성 로터(910) 내부에 강력한 자석으로 구성된 자성로터(911)가 구비된다. 자성로터(911)는 비자성 로터(910)의 움직임과 별개로 구동되며, 자성로터(911)가 고속으로 회전함에 따라, 비자성 로터(910) 표면에 강력한 전자기장을 형성하게 된다.

이때, 컨베이어 밸트(920)를 따라 유입된 상기 비금속이 비자성 로터(910) 근처에 왔을 때, 상기 비금속은 자성로터(911)에 의해 생성된 전자기장에 영향에 받지 않아 그대로 컨베이어 밸트(920)를 따라 분리판(930)을 넘지 못하고 비금속 배출단(902)으로 떨어지게 된다.

또한, 컨베이어 밸트(920)를 따라 유입된 상기 비철금속이 비자성 로터(910) 근처에 왔을 때, 상기 비철금속은 자성로터(911)에 의해 생성된 전자기장에 영향을 받아 일정 영역을 부유하여 분리판(930)을 넘어, 비금속 배출단(902)보다 원거리에 배치된 비철금속 배출단(901)으로 떨이지게 된다. 이에 따라, 비금속 배출단(902)으로 떨어진 상기 비금속은 비금속 회수통(6000)으로 회수되고, 비철금속 배출단(901)으로 떨어진 상기 비철금속은 비철금속 회수통(5000)으로 회수되어, 상기 비철금속 및 비금속을 효과적으로 분리할 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 배터리 양극물질 회수 방법에 대한 순서도이다.

도 4를 참조하면, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 방법은 상기 도 1 내지 도 3을 통하여 설명한 구성을 바탕으로 하기와 같은 단계로 진행될 수 있다.

리튬이온 배터리 파쇄 단계(S100)는 파쇄기를 이용하여 리튬이온 배터리를 물리적으로 파쇄하여 1차 파쇄물을 생성하는 단계이다. 이때, 상기 리튬이온 배터리는 다양한 형태로 리튬이온 배터리 파쇄 단계(S100)에 투입될 수 있다. 예를 들어, 모듈 형태, 팩 형태 및 셀 형태로 해체된 리튬이온 배터리로 투입될 수 있되 이에 제한되지 않는다.

리튬이온 배터리 파쇄 단계(S100)에서 상기 파쇄기는 1축 파쇄기, 2축 파쇄기, 3축 파쇄기, 4축 파쇄기 및 이들의 조합에서 선택된 것이 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는, 투입용량 및 파쇄할 상기 리튬이온 배터리의 크기를 감안하여 4축 파쇄기를 사용하거나 이를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 리튬이온 배터리를 10 ~ 100 mm 크기로 파쇄하여 상기 1차 파쇄물을 생성할 수 있다. 바람직하게는 50mm 이하의 크기로 파쇄하여 상기 1차 파쇄물을 생성할 수 있다.

이때, 상기 파쇄기의 공정 환경은 비활성 기체가 충진된 환경에서 진행될 수 있다. 예를 들어, 상기 비활성 기체는 N2, CO2 및 Ar 중 하나 이상 선택될 수 있되 이에 제한되지 않는다. 이에 따라, 상기 파쇄기에서 파쇄된 상기 리튬이온 배터리의 소재가 공기중에 노출됨으로 인한 화재나 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.

또한, 리튬이온 배터리 파쇄 단계(S100)는 상기 파쇄기를 이용하여 상기 리튬이온 배터리를 파쇄할 때, 상기 리튬이온 배터리의 소재들의 반응 또는 합선 등에 의하여 상기 파쇄기 내부 온도가 상승하거나, 공정이상에 따른 화재 및 폭발 위험성이 감지되었을 때 물이 투입되어 상기 파쇄기 내부 온도를 낮춰, 화재나 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.

리튬이온 배터리 파쇄 단계(S100)는, 상기 1차 파쇄물에 포함되어 있을 수 있는 액상의 물질, 예를 들어, 전해질, 유분 및 물 등을 제거한 후 다음 단계로 이송할 수 있다. 예를 들어, 원심 탈수기 또는 스크류 프레스 등이 적용되어 상기 액상의 물질을 제거할 수 있되 이에 제한되지 않는다.

리튬이온 배터리 파쇄 단계(S100)는 상기 비활성 기체가 충진 된 환경에서 진행될 수 있어 화재나 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.

1차 파쇄물 건조 단계(S200)는 리튬이온 배터리 파쇄 단계(S100)에서 생성된 상기 1차 파쇄물을 건조시키는 단계이다. 상기 1차 파쇄물은 상기 액상의 물질을 흡수하고 있으며, 리튬이온 배터리 파쇄 단계(S100)에서 완전히 분리되지 않은 상기 액상의 물질이 포함되어 있을 수 있다. 이에 따라, 이후 공정에서 양극물질을 효과적으로 분리하기 위하여 상기 1차 파쇄물을 건조시켜야 한다. 예를 들어, 건조기를 이용하여, 50~120℃의 조건에서 상기 1차 파쇄물을 건조시킬 수 있되, 바람직하게는, 상기 리튬이온 배터리에 적용되는 유기용매의 인화점(flash point)을 고려하여 온도 조건을 설정할 수 있다. 예를 들어, 70~90℃의 조건에서 상기 1차 파쇄물을 건조시킬 수 있다.

1차 파쇄물 건조 단계(S200)는 상기 비활성 기체가 충진 된 환경에서 진행될 수 있어 화재나 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.

양극물질 회수 단계(S300) 상기 1차 파쇄물에서 상기 양극물질을 분리하여 회수하는 단계이다.

양극물질 회수 단계(S300)의 세부 단계를 도 5을 참조하여 이하 설명한다.

1차 파쇄물 분리 단계(S310)는 1차 파쇄물 건조 단계(도 4, S200)에서 건조된 상기 1차 파쇄물에서 상기 양극물질을 분리하기 위한 단계이다. 상기 1차 파쇄물은 파쇄된 폐배터리 구조물, 음극(예를 들어, 구리에 흑연 및 바인더, 첨가제 혼합물 코팅), 분리막 및 양극(예를 들어, 알루미늄에 양극물질 및 바인더 코팅) 등으로 구성되어 있는데, 상기 양극의 상기 양극물질은 상기 바인더와 함께 상기 알루미늄에 코팅된 것일 수 있다. 이에 따라, 상기 1차 파쇄물에서 상기 양극물질을 분리하기 위해서 물리적 충격을 가하여 상기 알루미늄에서 상기 양극물질이 떨어질 수 있도록 처리해야 한다. 따라서, 상기 1차 파쇄물을 제1분리기에 투입하여 물리적 충격을 가하여 상기 알루미늄에서 상기 양극물질을 분리한다. 이에 따라, 상기 알루미늄에서 분리된 상기 양극물질과 기타 고형물질이 혼합된 2차 파쇄물이 생성될 수 있다. 이때, 상기 제1분리기는 해머 분리기(hammer separator, hammer mill)를 이용할 수 있되 이에 제한되지 않는다.

1차 파쇄물 분리 단계(S310)는 상기 비활성 기체가 충진 된 환경에서 진행될 수 있어 화재나 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.

2차 파쇄물 스크리닝 단계(S320)는 1차 파쇄물 분리 단계(S310)에서 생성된 상기 2차 파쇄물에서 상기 양극물질과 상기 기타 고형물질을 비중, 면밀도(Area density) 및 크기의 차이를 이용하여 분리하는 단계이다.

예를 들어, 직사각형으로 수평으로 펼쳐져 있되, 진행 방향과 좌우 기울기의 조절이 가능하고 진동의 세기 조절이 가능한 진동판이 장착된 제1진동스크린을 이용할 수 있다. 이때, 상기 진동판은 요철 가공이 적용될 수 있다.

상기 진동판이 장착된 상기 제1진동스크린의 한쪽으로 상기 2차 파쇄물을 투입한 후 상기 진동판을 작동시킬 경우 상기 2차 파쇄물이 기울기 방향을 따라 진동의 영향으로 이동하게 된다. 이때, 상기 2차 파쇄물의 비중 또는 면밀도에 따라 상기 진동판에서 치우치는 정도가 차이가 날 수 있다. 예를 들어, 비중 또는 면밀도가 낮을수록 기울어짐에 영향을 크게 받게 되어, 상기 진동판의 좌우 기울기의 영향에 따라 상기 제1진동스크린의 끝단까지 이동하지 못하고, 상기 제1진동스크린의 측면으로 배출될 수 있다. 일반적으로 비중 및 면밀도는 양극물질 >> Cu >= Al > 분리막 순으로 높아, 상기와 같은 방식으로 양극물질을 효과적으로 분리할 수 있다.

또한, 상기 2차 파쇄물에서 상기 양극물질 대비 상대적으로 큰 사이즈의 기타 고형물질을 미세한 통공이 형성된 스크리닝 매트를 더 포함하는 상기 제1진동스크린을 이용하여 분리할 수 있다.

예를 들어, 상기 스크리닝 매트 위에 상기 2차 파쇄물을 이동시키면서 상기 스크리닝 매트를 진동시키면, 상기 스크리닝 매트의 상기 통공을 통하여 양극물질이 상기 스크리닝 매트 하부로 빠져나오게 된다.

이때 상기 기타 고형물질은 상기 스크리닝 매트의 상기 통공을 통과하지 못하고 상기 스크리닝 매트를 따라 이동하여 3차 파쇄물로 배출되게 된다. 이에 따라, 상기 스크리닝 매트 하부로 빠져나온 상기 양극물질을 별도로 회수할 수 있다. 이때, 상기 스크리닝 매트의 상기 통공의 크기는 0.1~3mm 일 수 있다. 바람직하게는 상기 스크리닝 매트의 상기 통공의 크기는 1~2mm일 때 상기 양극물질과 상기 기타 고형물질을 효과적으로 분리할 수 있다.

2차 파쇄물 스크리닝 단계(S320)는 상기 비활성 기체가 충진된 환경에서 진행될 수 있어 화재나 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.

3차 파쇄물 분리 단계(S330)는 2차 파쇄물 스크리닝 단계(S320)에서 생성된 상기 3차 파쇄물에서 상기 양극물질을 분리하기 위한 단계이다. 상기 3차 파쇄물은 상기 제1진동스크린에서 분리되지 않은 상기 양극물질과 상기 기타 고형물질을 포함하고 있되, 상기 제1분리기 내에 상기 알루미늄에서 상기 양극물질이 미처 떨어지지 못한 물질이 포함되어 있을 수 있다. 이에 따라, 상기 3차 파쇄물에서 상기 양극물질을 분리하기 위해서 물리적 충격을 가하여 상기 알루미늄에서 상기 양극물질이 떨어질 수 있도록 처리해야 한다. 따라서, 상기 3차 파쇄물을 제2분리기에 투입하여 물리적 충격을 가하여 상기 알루미늄에서 상기 양극물질을 분리한다. 이에 따라, 상기 알루미늄에서 분리된 상기 양극물질과 기타 고형물질이 혼합된 4차 파쇄물이 생성될 수 있다. 이때, 상기 제2분리기는 해머 분리기(hammer separator, hammer mill)를 이용할 수 있되 이에 제한되지 않는다.

3차 파쇄물 분리 단계(S330)는 상기 비활성 기체가 충진 된 환경에서 진행될 수 있어 화재나 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.

4차 파쇄물 스크리닝 단계(S340)는 3차 파쇄물 분리 단계(S330)에서 생성된 상기 4차 파쇄물에서 상기 양극물질과 상기 기타 고형물질을 비중, 면밀도(Area density) 및 크기의 차이를 이용하여 분리하는 단계이다.

예를 들어, 직사각형으로 수평으로 펼쳐져 있되, 진행 방향과 좌우 기울기의 조절이 가능하고 진동의 세기 조절이 가능한 진동판이 장착된 제2진동스크린을 이용할 수 있다. 이때, 상기 진동판은 요철 가공이 적용될 수 있다.

상기 진동판이 장착된 상기 제2진동스크린의 한쪽으로 상기 4차 파쇄물을 투입한 후 상기 진동판을 작동시킬 경우 상기 4차 파쇄물이 기울기 방향을 따라 진동의 영향으로 이동하게 된다. 이때, 상기 4차 파쇄물의 비중 또는 면밀도에 따라 상기 진동판에서 치우치는 정도가 차이가 날 수 있다. 예를 들어, 비중 또는 면밀도가 낮을수록 기울어짐에 영향을 크게 받게 되어, 상기 진동판의 좌우 기울기의 영향에 따라 상기 제2진동스크린의 끝단까지 이동하지 못하고, 상기 제2진동스크린의 측면으로 배출될 수 있다. 일반적으로 비중 및 면밀도는 양극물질 >> Cu >= Al > 분리막 순으로 높아, 상기와 같은 방식으로 양극물질을 효과적으로 분리할 수 있다.

또한, 상기 4차 파쇄물에서 상기 양극물질 대비 상대적으로 큰 사이즈의 기타 고형물질을 미세한 통공이 형성된 스크리닝 매트를 더 포함하는 상기 제2진동스크린을 이용하여 분리할 수 있다.

예를 들어, 상기 스크리닝 매트 위에 상기 4차 파쇄물을 이동시키면서 상기 스크리닝 매트를 진동시키면, 상기 스크리닝 매트의 상기 통공을 통하여 양극물질이 상기 스크리닝 매트 하부로 빠져나오게 된다.

이때 상기 기타 고형물질은 상기 스크리닝 매트의 상기 통공을 통과하지 못하고 상기 스크리닝 매트를 따라 이동하여 비금속 및 비철금속이 배출되게 된다. 이에 따라, 상기 스크리닝 매트 하부로 빠져나온 상기 양극물질을 별도로 회수할 수 있다. 이때, 상기 스크리닝 매트의 상기 통공의 크기는 0.1~3mm 일 수 있다. 바람직하게는 상기 스크리닝 매트의 상기 통공의 크기는 1~2mm일 때 상기 양극물질과 상기 기타 고형물질을 효과적으로 분리할 수 있다.

4차 파쇄물 스크리닝 단계(S340)는 상기 비활성 기체가 충진된 환경에서 진행될 수 있어 화재나 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있다.

분진 회수 단계(S301)는 1차 파쇄물 분리 단계(S310), 2차 파쇄물 스크리닝 단계(S320), 3차 파쇄물 분리 단계(S330) 및 4차 파쇄물 스크리닝 단계(S340)에서 발생한 분진을 집진기를 이용하여 회수하는 단계이다.

1차 파쇄물 분리 단계(S310), 2차 파쇄물 스크리닝 단계(S320), 3차 파쇄물 분리 단계(S330) 및 4차 파쇄물 스크리닝 단계(S340)에서 발생한 분진을, 각 단계에 충진 된 상기 비활성 기체와 함께 상기 집진기가 빨아들여, 상기 분진을 회수할 수 있다. 이때 상기 집진기는 백필터 타입의 집진기가 적용될 수 있되 이에 제한되지 않는다.

상기 집진기는 상기 집진기에 설치된 팬모터를 이용하여 공기를 흡입하여 상기 분진을 상기 집진기에 설치된 필터쪽으로 빨아들이게 된다. 이때 상기 집진기가 공기를 흡입하는 속도를 여과 속도로 표기하게 되는데, 예를 들어 여과 속도는 0.5 ~ 3.0m/sec일 수 있다. 바람직하게는, 0.7~1.1m/sec일 수 있다. 여과 속도가 0.5m/sec 미만일 경우 상기 분진을 빨아들이는 힘이 약해서 상기 분진을 회수하는 효과가 떨어지게 되며, 여과 속도가 3.0m/sec 초과일 경우 상기 필터에 상기 분진이 강하게 흡착되어 상기 분진을 회수하기 어려워지는 단점과 필터 교체 주기가 짧아지는 단점이 있으며, 너무 강한 흡입은 공정내 비산되는 분진의 양을 늘릴 수 있어 바람직하지 않다. 이에 따라, 상기 집진기로 회수된 상기 분진은 상기 집진기 하단에 중력에 의해 모이게 되어 상기 분진을 회수할 수 있다.

또한 상기 집진기가 분진을 빨아들일 때 같이 회수되는 상기 비활성 기체를 상기 집진기에 설치된 배기 파이프로 배출할 수 있다. 이후, 상기 배기 파이프로 배출되는 상기 비활성 기체는 필터링 후 회수하여 상기 파쇄기에 공급하는 상기 비활성 기체와 함께 재공급할 수 있다. 이에 따라, 상기 비활성 기체를 재활용하고 자동으로 순환되도록 할 수 있어, 공정의 경재성과 효율성을 확보할 수 있다.

분진 공급 단계(S302)는 상기 집진기에서 회수한 상기 분진을 2차 파쇄물 스크리닝 단계(S320)로 공급하는 단계이다. 상기 집진기에서 회수한 상기 분진을 상기 제1진동스크린으로 이송하여 투입될 수 있다. 이에 따라, 상기 분진에 포함된 상기 양극물질을 다시 회수할 수 있어, 상기 양극물질의 회수 효율을 증대시킬 수 있다.

다시 도 4를 참조하여 비금속 및 비철금속 회수 단계(S400)를 설명한다.

비금속 및 비철금속 회수 단계(S400)는 와류선별기를 이용하여, 4차 파쇄물 스크리닝 단계(도 5, S340)에서 생성된 상기 비철금속 및 비금속을 분리하기 위한 단계이다. 상기 와류선별기는 고주파 자기장 유도원리를 이용하여 비철금속을 선별하는 장치로, 상기 와류선별기에 장착된 자성로터에 의하여 형성된 전자기장을 이용하여 상기 전자기장에 영향을 받는 비철금속과 상기 자기장에 영향을 받지 않는 비금속을 분리할 수 있다.

예를 들어, 상기 와류선별기의 컨베이어 밸트를 따라 유입된 비금속은 상기 자성로터에 의해 생성된 전자기장에 영향을 받지 않아 그대로 상기 컨베이어 밸트를 따라 분리판을 넘지 않고 비금속 배출단으로 떨어지게 된다.

또한, 상기 컨베이어 밸트를 따라 유입된 상기 비철금속은 상기 자성로터에 의해 생성된 전자기장에 영향을 받아 일정 영역을 부유하여 상기 분리판을 넘어, 상기 비금속 배출단보다 원거리에 배치된 비철금속 배출단으로 떨이지게 된다. 이에 따라, 상기 비철금속 및 비금속을 효과적으로 분리할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.

예를 들어, 도면은 이해를 돕기 위해 각각의 구성요소를 주체로 하여 모식적으로 나타낸 것으로, 도시된 각 구성요소의 두께, 길이, 개수 등은 도면 작성의 진행상, 실제와 다를 수 있다. 또한, 상기의 실시형태에서 나타낸 각 구성요소의 재질이나 형상, 치수 등은 한 예로서, 특별히 한정되지 않고, 본 발명의 효과에서 실질적으로 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능하다.

10 : 비활성 기체 공급라인
20 : 물 공급라인
100 : 파쇄기
110 : 파쇄기 호퍼
111 : 제1게이트
112 : 제2게이트
120 : 파쇄부
130 : 탈수부
200 : 건조기
210 : 열교환기
300 : 제1분리기
310 : 제1분리기 후드
400 : 제1진동스크린
410 : 제1진동스크린 후드
420 : 제1진동스크린 배출구
500 : 제2분리기
510 : 제2분리기 후드
600 : 제2진동스크린
610 : 제2진동스크린 후드
620 : 제2진동스크린 배출구
700 : 이송 파이프
800 : 집진기
810 : 배기 파이프
900 : 와전류선별기
901 : 비철금속 배출단
902 : 비금속 배출단
910 : 비자성 롤러
911 : 자성 로터
920 : 컨베이어 밸트
930 : 분리판
1000 : 컨베이어
2000a, 2000b, 2000c : 스크류 컨베이어
3000a, 3000b, 3000c : 진동 피더
4000a, 4000b : 양극물질 회수통
5000 : 비철금속 회수통
6000 : 비금속 회수통

Claims

리튬이온 배터리를 물리적으로 파쇄하여 1차 파쇄물을 생성하는 파쇄기;
상기 1차 파쇄물을 건조시키는 건조기;
상기 건조기를 통과한 상기 1차 파쇄물에서 양극물질을 분리하기 위하여 물리적 충격을 가하여 2차 파쇄물을 생성하는 제1분리기;
상기 제1분리기를 통과한 상기 2차 파쇄물에서 상기 양극물질의 비중, 면밀도, 입자크기 중 하나 이상을 이용하여 분리 후 상기 양극물질을 회수하고 3차 파쇄물을 생성하는 제1진동스크린;
상기 제1진동스크린을 통과한 상기 3차 파쇄물에서 상기 양극물질을 분리하기 위하여 물리적 충격을 가하여 4차 파쇄물을 생성하는 제2분리기;
상기 제2분리기를 통과한 상기 4차 파쇄물에서 상기 양극물질의 비중, 면밀도, 입자크기 중 하나 이상을 이용하여 분리 후 상기 양극물질을 회수하고 비철금속 및 비금속을 배출하는 제2진동스크린;
상기 제1분리기, 상기 제2분리기, 상기 제1진동스크린 및 상기 제2진동스크린 중 적어도 어느 하나에서 발생한 분진을 회수하는 집진기; 및
상기 제2진동스크린에서 배출한 상기 비철금속 및 비금속을 선별하는 와전류선별기;
를 포함하고,
상기 파쇄기, 상기 건조기, 상기 제1분리기, 상기 제1진동스크린, 상기 제2분리기, 상기 제2진동스크린, 및 상기 와전류선별기는 순서대로 컨베이어가 연결되어 상기 1차 파쇄물, 상기 2차 파쇄물 상기 3차 파쇄물, 상기 4차 파쇄물 및 상기 비철금속 및 비금속이 자동으로 운반되도록 하여 리튬이온 배터리로부터 양극물질이 분리되는 공정이 연속적으로 수행되되 양극물질 파우더의 비산으로 인한 회수율을 향상시킬 수 있는, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 집진기에서 회수된 상기 분진은 스크류 컨베이어를 통하여 상기 제1진동스크린으로 투입되는, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 파쇄기, 상기 건조기, 상기 제1분리기, 상기 제1진동스크린, 상기 제2분리기, 상기 제2진동스크린, 상기 와전류선별기, 상기 집진기, 상기 컨베이어 및 상기 스크류 컨베이어는 외기의 유입이 방지되도록 밀폐되고 비활성 기체 환경에서 운영됨으로써, 상기 양극물질의 회수 공정 중 화재와 폭발 위험이 제거된, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 비활성 기체는 N2, CO2 및 Ar 중 적어도 어느 하나를 포함하는,
리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 집진기는 0.5 ~ 3.0m/sec의 여과 속도로 구동되는, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1분리기에 설치된 제1분리기 후드;
상기 제2분리기에 설치된 제2분리기 후드;
상기 제1진동스크린에 설치된 제1진동스크린 후드; 및
제2진동스크린에 설치된 제2진동스크린 후드;
중 적어도 어느 하나가 더 구비되어 상기 집진기로 상기 분진이 회수되도록 함으로써, 리튬이온 배터리 재활용 공정에서 발생하는 양극물질 파우더의 비산으로 인한 회수율 손실을 개선하는, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 집진기에서 배출되는 배출 가스는 필터링 후 상기 파쇄기로 연속적으로 공급되어, 공정의 경제성과 효율성을 향상시키는, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템.
청구항 1에 따른 상기 리튬이온 배터리 양극물질 회수 시스템을 이용한 양극물질 회수 방법에 있어서,
상기 리튬이온 배터리를 상기 파쇄기로 파쇄하여 상기 1차 파쇄물을 생성하는 리튬이온 배터리 파쇄 단계;
상기 1차 파쇄물을 상기 건조기에서 건조시키는 1차 파쇄물 건조 단계;
상기 1차 파쇄물 건조 단계에서 건조된 상기 1차 파쇄물에서 상기 양극물질을 회수하는 양극물질 회수 단계; 및
상기 양극물질 회수 단계를 통과한 상기 비금속 및 상기 비철금속을 상기 와전류선별기를 이용하여 분리함으로써 상기 비금속과 상기 비철금속을 분리하여 회수하는 비금속 및 비철금속 회수 단계;
를 포함하는, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 양극물질 회수 단계는,
상기 제1분리기를 이용하여 상기 양극물질을 분리하여 상기 2차 파쇄물을 생성하는 1차 파쇄물 분리 단계;
상기 1차 파쇄물 분리 단계에서 생성된 상기 2차 파쇄물에 포함된 상기 양극물질을 비중, 면밀도, 입자크기 중 하나 이상을 이용하여 분리하는 것과, 상기 제1진동스크린으로 상기 양극물질을 분리하여 상기 3차 파쇄물을 생성하는 2차 파쇄물 스크리닝 단계;
상기 2차 파쇄물 스크리닝 단계에서 생성된 상기 3차 파쇄물에 포함된 상기 양극물질을 상기 제2분리기를 이용하여 분리하여 상기 4차 파쇄물을 생성하는 3차 파쇄물 분리 단계;
상기 3차 파쇄물 분리 단계에서 생성된 상기 4차 파쇄물에 포함된 상기 양극물질을 비중, 면밀도, 입자크기 중 하나 이상을 이용하여 분리하는 것과, 상기 제2진동스크린으로 상기 양극물질을 분리하여 상기 비금속 및 상기 비철금속을 생성하는 4차 파쇄물 스크리닝 단계;
를 포함하는, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 양극물질 회수 단계는,
상기 1차 파쇄물 분리 단계, 상기 2차 파쇄물 스크리닝 단계, 상기 3차 파쇄물 분리 단계 및 상기 4차 파쇄물 스크리닝 단계에서 발생한 분진을 상기 집진기를 이용하여 회수하는 분진 회수 단계; 및
상기 분진 회수 단계에서 회수된 상기 분진을 상기 2차 파쇄물 스크리닝 단계로 공급하는 분진 공급단계;
를 포함하는, 리튬이온 배터리 양극물질 회수 방법.