WO2021132946A1 - 양극 활물질 전구체의 회수 방법 - Google Patents

양극 활물질 전구체의 회수 방법 Download PDF

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박지연
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Definitions

  • the present invention relates to a method for recovering a cathode active material precursor. More particularly, it relates to a method of recovering a cathode active material precursor from a cathode active material mixture.
  • a secondary battery is a battery that can be repeatedly charged and discharged, and has been widely applied to portable electronic communication devices such as camcorders, mobile phones, and notebook PCs with the development of information communication and display industries.
  • the secondary battery for example, a lithium secondary battery, a nickel-cadmium battery, a nickel-hydrogen battery, etc. are mentioned, and among them, the lithium secondary battery has high operating voltage and energy density per unit weight, and is advantageous for charging speed and weight reduction. It has been actively developed and applied in this respect.
  • a lithium secondary battery may include an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator (separator), and an electrolyte impregnating the electrode assembly.
  • the lithium secondary battery may further include, for example, a pouch-type casing accommodating the electrode assembly and the electrolyte.
  • a lithium composite oxide may be used as a cathode active material of the lithium secondary battery.
  • the lithium composite oxide may additionally contain a transition metal such as nickel, cobalt, and manganese together.
  • the lithium composite oxide as the positive active material may be prepared by reacting a lithium precursor and a nickel-cobalt-manganese (NCM) precursor containing nickel, cobalt, and manganese.
  • NCM nickel-cobalt-manganese
  • the positive electrode active material 20% or more of the manufacturing cost is required for manufacturing the positive electrode material.
  • environmental protection issues have recently been highlighted, research on recycling methods for positive electrode active materials is being conducted. In order to recycle the positive electrode active material, it is necessary to regenerate the lithium precursor from the spent positive electrode with high efficiency and high purity.
  • Korean Patent Application Laid-Open No. 2015-0002963 discloses a method for recovering lithium using a wet method.
  • the recovery rate is excessively reduced, and a large number of impurities may be generated from the waste liquid.
  • One object of the present invention is to provide a method for recovering a cathode active material precursor with high purity, high yield and high efficiency from a cathode active material mixture.
  • a method for recovering a cathode active material precursor includes preparing a cathode active material mixture including a lithium composite oxide; separating lithium from the cathode active material mixture to form a preliminary transition metal precursor; forming a complex transition metal salt solution by acid-treating the preliminary transition metal precursor; and adding an acidic extractant to the complex transition metal salt solution and then adding a basic compound to recover the complex transition metal precursor.
  • the forming of the preliminary transition metal precursor may include hydrogen reduction of the positive active material mixture to form a preliminary precursor mixture, and washing the preliminary precursor mixture with water to separate lithium. have.
  • the forming of the composite transition metal salt solution may include acid treatment of the preliminary transition metal precursor so that the pH of the composite transition metal salt solution is 0.1 to 2.0.
  • forming the complex transition metal salt solution may include acid treatment of the preliminary transition metal precursor using sulfuric acid.
  • the complex transition metal salt solution may include sulfate of a transition metal complex including at least two or more transition metals selected from the group consisting of nickel, cobalt, and manganese.
  • the acidic extractant may include at least one selected from the group consisting of a phosphoric acid extractant, a phosphate extractant, and a phosphine oxide extractant.
  • the acidic extractant may further include a diluent.
  • the diluent may include at least one selected from the group consisting of kerosene, hexane, benzene, and toluene.
  • the complex transition metal salt solution and the acidic extractant may be mixed so that the organic phase/aqueous phase ratio is 2 to 10.
  • a basic compound in the recovering of the complex transition metal precursor, may be added to the mixture of the complex transition metal salt solution and the acidic extractant so that the equilibrium pH is 3.5 to 6.
  • the basic compound may include at least one selected from the group consisting of lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide.
  • an acidic extractant and a basic compound are used to prepare a high-purity transition metal precursor with high yield and high efficiency.
  • the transition metal precursor is recovered after first separating the lithium precursor from the positive active material mixture, the transition metal precursor can be extracted at a high equilibrium pH. Accordingly, the recovery rate of the transition metal (eg, nickel) may be improved.
  • the transition metal eg, nickel
  • the extraction process can be simplified by extracting the transition metal at once in the form of a complex transition metal precursor without individually extracting the transition metal. Accordingly, extraction efficiency may be improved.
  • the transition metal precursor is recovered using an acidic extractant and a basic compound after first separating the lithium precursor from the positive electrode active material mixture, the positive electrode active material precursor can be recovered with high yield and high efficiency.
  • the term “precursor” is used to refer generically to a compound including a specific metal to provide a specific metal included in the electrode active material.
  • a cathode active material mixture including a lithium composite oxide may be prepared.
  • the cathode active material mixture may be obtained from a waste lithium secondary battery.
  • the waste lithium secondary battery includes a lithium secondary battery that cannot be substantially reused (charged/discharged), for example, a lithium secondary battery whose charge/discharge efficiency is greatly reduced due to the end of its lifespan or a lithium secondary battery destroyed by impact or chemical reaction It may include a battery.
  • the waste lithium secondary battery may include, for example, an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • the positive electrode and the negative electrode may include a positive electrode active material layer and a negative electrode active material layer coated on the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, respectively.
  • the positive electrode active material included in the positive electrode active material layer may include lithium and an oxide containing a transition metal.
  • the cathode active material may be an NCM-based lithium oxide including nickel, cobalt, and manganese.
  • embodiments of the present invention may be commonly applied to not only the positive electrode material including the NCM-based lithium oxide, but also the lithium-containing positive electrode material.
  • the waste cathode may be recovered by separating the cathode from the waste lithium secondary battery.
  • the positive electrode includes a positive electrode current collector (eg, aluminum (Al)) and a positive electrode active material layer as described above, and the positive electrode active material layer may include a conductive material and a binder together with the above-described positive active material. .
  • the conductive material may include, for example, a carbon-based material such as graphite, carbon black, graphene, and carbon nanotubes.
  • the binder is, for example, vinylidenefluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidenefluoride (PVDF), polyacrylonitrile, polymethylmethacrylate (polymethylmethacrylate) may include a resin material.
  • the positive electrode active material mixture may be prepared from the recovered positive electrode.
  • the term “positive electrode active material mixture” refers to a positive electrode in which positive electrode current collector components such as aluminum are substantially completely separated and removed from the recovered positive electrode, and the content of carbon-based components derived from the conductive material and binder is removed or reduced means an active material mixture.
  • the positive electrode active material mixture may be obtained in the form of a powder by physically treating the recovered positive electrode such as pulverization treatment.
  • the cathode active material mixture includes a lithium-transition metal oxide powder, for example, an NCM-based lithium oxide powder (eg, Li(NCM)O 2 ).
  • the recovered positive electrode may be heat-treated before the pulverization treatment. Accordingly, desorption of the positive electrode current collector may be promoted during the pulverization treatment, and the binder and the conductive material may be at least partially removed.
  • the heat treatment temperature may be, for example, about 100 to 500 °C, preferably about 350 to 450 °C.
  • the positive electrode active material mixture may be obtained after immersing the recovered positive electrode in an organic solvent.
  • the recovered positive electrode may be immersed in an organic solvent to separate and remove the positive electrode current collector, and the positive electrode active material mixture may be selectively extracted through centrifugation.
  • a positive electrode active material mixture in which the content of the positive electrode current collector component and the carbon-based component derived from the conductive material and/or the binder is substantially removed or reduced may be obtained.
  • the cathode active material mixture may include, for example, a lithium-containing compound used in a cathode active material of an electrochemical device.
  • a lithium composite oxide may be used as the cathode active material mixture.
  • the lithium composite oxide may include lithium and a transition metal.
  • the transition metal may include, for example, nickel, cobalt, manganese, and the like.
  • the lithium composite oxide may be represented by Formula 1 below.
  • M is selected from the group consisting of Mn, Na, Mg, Ca, Ti, V, Cr, Cu, Zn, Ge, Sr, Ag, Ba, Zr, Nb, Mo, Al, Ga, and B; 0 ⁇ x ⁇ 1.1, 2 ⁇ y ⁇ 2.02, 0.5 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 0.5.
  • a lithium composite oxide having a Ni content of 0.5 molar ratio or more may be effectively converted into a lithium composite oxide.
  • the positive active material mixture may further include various lithium-containing compounds, such as lithium oxide, lithium carbonate, and lithium hydroxide, as non-limiting examples.
  • lithium may be separated from the prepared positive electrode active material mixture to form a preliminary transition metal precursor.
  • lithium may be separated in the form of lithium oxide or lithium hydroxide from the positive active material mixture.
  • the forming of the preliminary transition metal precursor may include reducing the cathode active material mixture to form a preliminary precursor mixture, and washing the preliminary precursor mixture with water to separate lithium. .
  • the preliminary precursor mixture is washed with water to separate a lithium precursor including lithium hydroxide.
  • the hydrogen reduction treatment may be performed through a fluidized bed reactor.
  • the cathode active material mixture may be introduced into the fluidized bed reactor and hydrogen gas may be injected from the bottom of the fluidized bed reactor.
  • a cyclone may be formed from a lower portion of the fluidized bed reactor by the hydrogen gas, and the preliminary precursor mixture may be generated while the positive electrode active material mixture and hydrogen are in contact.
  • a carrier gas and the hydrogen gas may be mixed and injected at the bottom of the fluidized bed reactor. Accordingly, in the fluidized bed, gas-solid mixing is promoted to promote reaction, and a reaction layer of the preliminary precursor mixture in the fluidized bed reactor can be easily formed.
  • the carrier gas may include, for example, an inert gas such as nitrogen (N 2 ) or argon (Ar).
  • an inert gas such as nitrogen (N 2 ) or argon (Ar).
  • the preliminary precursor mixture may include, for example, a hydrogen reduction reactant of a lithium-transition metal oxide included in the positive electrode active material mixture.
  • the preliminary precursor mixture may include a preliminary lithium precursor and a preliminary transition metal precursor.
  • the preliminary lithium precursor may include lithium hydroxide, lithium oxide and/or lithium carbonate.
  • the transition metal component of the preliminary transition metal precursor may be derived from a lithium composite oxide in the recovered positive electrode.
  • the transition metal component may be separated to form the preliminary transition metal precursor.
  • the preliminary transition metal precursor may include, for example, Ni, Co, NiO, CoO, MnO, or the like.
  • the hydrogen reduction reaction may be carried out at about 400 to 700 °C, preferably at about 450 to 550 °C.
  • the preliminary lithium precursor may be converted into a lithium precursor substantially composed of lithium hydroxide.
  • lithium oxide and lithium carbonate incorporated in the preliminary lithium precursor may be converted into lithium hydroxide by reacting with water, or may be removed by washing with water. Accordingly, a high-purity lithium precursor converted into a desired lithium hydroxide form can be produced.
  • the preliminary lithium precursor may be dissolved by reacting with water to substantially prepare an aqueous lithium hydroxide solution.
  • the preliminary transition metal precursor included in the preliminary precursor mixture may be precipitated without dissolving or reacting in water by the water washing treatment. Therefore, it is possible to obtain a lithium precursor including high purity lithium hydroxide by separating the preliminary transition metal precursor by filtration.
  • the water washing treatment may be performed under conditions in which carbon dioxide (CO 2 ) is excluded.
  • CO 2 carbon dioxide
  • the water washing treatment is carried out at, it is possible to prevent the re-generation of lithium carbonate.
  • the water provided during the water washing treatment is purged using a CO 2 lacking gas (eg, nitrogen purging) to create a CO 2 -free atmosphere.
  • a CO 2 lacking gas eg, nitrogen purging
  • the preliminary transition metal precursor may be acid treated to form a complex transition metal salt solution.
  • the complex transition metal salt solution is an acid salt solution in which a preliminary transition metal precursor and an acid are reacted, and may include a complex transition metal sulfate solution when sulfuric acid is used.
  • the complex transition metal salt solution may include nickel, cobalt, or manganese.
  • the complex transition metal salt solution may refer to an acid salt solution of a complex of two or more transition metals selected from the group consisting of nickel, cobalt and manganese.
  • the acid treatment may be performed by adding the preliminary transition metal precursor to a sulfuric acid solution at a temperature of about 50 to 90° C., and for about 60 to 500 minutes.
  • the average pH of the complex transition metal salt solution formed by the acid treatment may be about 0.1 to 2.0.
  • the temperature, the time, and the pH range are satisfied, the acid salt solution of the transition metal complex may be more easily formed.
  • the extraction efficiency of the transition metal may be improved.
  • the solid-liquid ratio of the acid used for the acid treatment of the preliminary transition metal precursor may be about 140 g/L or less. More preferably, the solid-liquid ratio may be about 90 g/L to 130 g/L.
  • the concentration of the acid used for the acid treatment of the preliminary transition metal precursor may be about 1.8M or more. More preferably, the concentration of the acid may be about 1.8M to 10M.
  • a complex transition metal salt solution may be formed without addition of a redox agent. Accordingly, the high-purity transition metal complex can be recovered with high efficiency.
  • the complex transition metal precursor may be recovered by adding an acidic extractant to the complex transition metal salt solution and then adding a basic compound.
  • the acid extractant may include at least one selected from the group consisting of a phosphoric acid extractant, a phosphate extractant, and a phosphine oxide extractant.
  • the acidic extractant is di-2-ethylhexyl phosphoric acid, bis(2,4,4-trimethylpentyl) phosphinic acid (Bis(2,4,4-trimethylpentyl) phosphinic acid), bis(2,4,4-trimethylpentyl) dithiophosphinic acid (Bis(2,4,4-trimethylpentyl) phosphinic acid), 2-ethylhexyl phosphoric acid mono-2-ethylhexyl ester (2 -Ethylhexyl phosphoric acid mono-2-ethylhexyl ester), tributyl phosphate, and may include at least one selected from the group consisting of trioctyl phosphine oxide. More preferably, the acidic extractant may include di-2-ethylhexyl phosphoric acid. For example, the acidic extractant may improve the extraction rate (eg, transition metal extraction rate) of the transition metal from the complex transition
  • the acidic extractant may further include a diluent.
  • the diluent may be an organic solvent.
  • the organic solvent may include at least one selected from the group consisting of kerosene, hexane, benzene, and toluene. More preferably, the organic solvent may include kerosene.
  • the complex transition metal salt solution and the acid extractant may be mixed so that the ratio of the organic phase to the aqueous phase (organic phase/water phase ratio) is 2 to 10. More preferably, it may be mixed so that the ratio of the organic phase/water phase is 3 to 7. For example, since the ratio of the organic phase and the aqueous phase is appropriate in the organic phase/aqueous phase ratio range, the separation efficiency of the complex transition metal precursor extracted per unit time may be further improved.
  • a basic compound may be added to the mixture such that the equilibrium pH of the mixture of the complex transition metal salt solution and the acidic extractant is about 3.5 to 6.
  • the equilibrium pH of the mixture of the complex transition metal salt solution and the acidic extractant is about 3.5 to 6.
  • the content of lithium is reduced, so that the transition metal extraction may proceed in a relatively high pH range. Accordingly, the extraction rate for transition metals, particularly nickel and cobalt, may be improved.
  • the extraction rate of the transition metal may be reduced.
  • the equilibrium pH of the mixture of the complex transition metal salt solution and the acidic extractant exceeds the above-described equilibrium pH range, side reactions such as metal precipitation may occur.
  • the amount of metal loading in the organic phase may increase, thereby increasing the density and viscosity of the solution. Accordingly, the fluidity of the organic phase may be reduced due to the high density and high viscosity of the solution, and the phase separation efficiency from the aqueous phase may be reduced.
  • the basic compound may include at least one selected from the group consisting of lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide.
  • the percent concentration of the basic compound may be about 10 to 60%.
  • the percent concentration of the basic compound is within the above range, the equilibrium pH adjustment of the mixture of the complex transition metal salt solution and the acidic extractant can be smoothly performed.
  • a positive electrode active material precursor may be prepared, and a transition metal hydroxide may be obtained through an appropriate treatment for the positive electrode active material precursor, which may be used to prepare the positive electrode active material.
  • the preliminary precursor mixture was reacted with 100 ml of nitrogen-purged water, filtered through filter paper, and a lithium-containing supernatant and a preliminary transition metal precursor-containing precipitate were obtained by centrifugation.
  • the precipitate containing the preliminary transition metal precursor was dried. 130 g of the dried precipitate was added to 1 L of 2 mol/L sulfuric acid to form a complex transition metal salt solution. The pH of the formed complex transition metal salt solution was 0.11.
  • An acidic extractant containing 1 mol/L of di-2-ethylhexyl phosphoric acid and kerosine was added to the complex transition metal salt solution to form a mixture of the complex transition metal salt solution and the acidic extractant.
  • the organic phase/water phase ratio of the mixture was 6. Then, sodium hydroxide having a percent concentration of 50% was added to the mixture, and the equilibrium pH of the mixture was adjusted to 4.74, and a complex transition metal precursor was extracted.
  • the complex transition metal precursor was extracted in the same manner as in Example 1, except that the equilibrium pH and organic phase/aqueous phase ratio of the mixture of the complex transition metal salt solution and the acidic extractant were adjusted as shown in Table 1 below.
  • An acidic extractant containing 1 mol/L of di-2-ethylhexyl phosphoric acid and kerosine was added to the complex transition metal salt solution to form a mixture of the complex transition metal salt solution and the acidic extractant.
  • the organic phase/water phase ratio of the mixture was 6. Then, sodium hydroxide having a percent concentration of 50% was added to the mixture, and the equilibrium pH of the mixture was adjusted to 4.7, and a complex transition metal precursor was extracted.
  • the complex transition metal precursor was extracted in the same manner as in Comparative Example 1, except that the equilibrium pH and organic phase/aqueous phase ratio of the mixture of the complex transition metal salt solution and the acidic extractant were adjusted as shown in Table 1 below.
  • the extraction rate was calculated by comparing the weight% of transition metals present in the aqueous phase before and after extraction.
  • Table 2 shows the weight % of the transition metal present in the aqueous phase before and after extraction and the extraction rate calculated based on it.
  • Example 1 0.7 0.8 5.9 0.2 0.01 0.1 1.4 0.1 99 87 76 50
  • Example 2 0.7 0.8 5.9 0.2 0.01 0.2 2.8 0.1 99 75 53 50
  • Example 3 0.7 0.8 5.9 0.2 0.01 0.3 3.6 0.1 99 62 39 50
  • Example 4 0.7 0.8 5.9 0.2 0.02 0.5 4.2 0.1 97 38 29 50
  • Example 5 0.7 0.8 5.9 0.2 0.01 0.05 1.1 0.1 99 94 81 50
  • Example 6 0.7 0.8 5.9 0.2 0.03 0.68 5.6 0.2 96 15 5 0
  • Example 7 0.7 0.8 5.9 0.2 0.02 0.43 4.9 0.18 97 46 17 10
  • Example 8 0.7 0.8 5.9 0.2 0.01 0.03 0.6 0.06 99 96 90 70 Comparative Example 1 0.7 0.9 6.6 1.0 0.01 0.2 2.9 0.6 99 78 56 40 Comparative Example 2 0.7 0.9 6.6 1.0 0.01 0.2 2.9 0.6 99 78 56 40 Comparative Example 2
  • Example 5 when the average pH of the mixture of the complex transition metal salt solution and the acidic extractant exceeds 6.0, the amount of extracted metal increases, thereby increasing the viscosity and density of the extractant. Accordingly, separation from the aqueous phase was difficult.

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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 양극 활물질 전구체의 회수 방법은 리튬 복합 산화물을 포함하는 양극 활물질 혼합물을 준비하는 단계, 양극 활물질 혼합물로부터 리튬을 분리하여 예비 전이금속 전구체를 형성하는 단계, 예비 전이금속 전구체를 산 처리하여 복합 전이금속 염 용액을 형성하는 단계 및 복합 전이금속 염 용액에 산성 추출제를 혼합한 후 염기성 화합물을 첨가하여 복합 전이금속 전구체를 회수하는 단계를 포함하여, 전이금속의 추출률이 향상될 수 있다.

Description

양극 활물질 전구체의 회수 방법
본 발명은 양극 활물질 전구체의 회수 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 양극 활물질 혼합물로부터 양극 활물질 전구체를 회수하는 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 충전 및 방전이 반복 가능한 전지로서, 정보 통신 및 디스플레이 산업의 발전에 따라 캠코더, 휴대폰, 노트북 PC 등과 같은 휴대용 전자통신 기기에 널리 적용되어 왔다. 이차 전지로서 예를 들면, 리튬 이차 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지 등을 들 수 있으며, 이들 중 리튬 이차 전지가 작동 전압 및 단위 중량당 에너지 밀도가 높으며, 충전 속도 및 경량화에 유리하다는 점에서 활발히 개발 및 적용되어 왔다.
리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 분리막(세퍼레이터)을 포함하는 전극 조립체, 및 상기 전극 조립체를 함침시키는 전해질을 포함할 수 있다. 상기 리튬 이차 전지는 상기 전극 조립체 및 전해질을 수용하는 예를 들면, 파우치 형태의 외장재를 더 포함할 수 있다.
상기 리튬 이차 전지의 양극 활물질로서 리튬 복합 산화물이 사용될 수 있다. 상기 리튬 복합 산화물은 추가적으로 니켈, 코발트, 망간과 같은 전이금속을 함께 함유할 수 있다.
상기 양극 활물질로서 리튬 복합 산화물은 리튬 전구체 및 니켈, 코발트 및 망간을 함유하는 니켈-코발트-망간(NCM) 전구체를 반응시켜 제조될 수 있다.
상기 양극 활물질에 상술한 고비용의 유가 금속들이 사용됨에 따라, 양극재 제조에 제조 비용의 20% 이상이 소요되고 있다. 또한, 최근 환경보호 이슈가 부각됨에 따라, 양극 활물질의 리싸이클 방법에 대한 연구가 진행되고 있다. 상기 양극 활물질 리싸이클을 위해서는 폐 양극으로부터 상기 리튬 전구체를 고효율, 고순도로 재생할 필요가 있다.
예를 들면, 한국공개특허공보 제2015-0002963호에는 습식 방법을 활용한 리튬의 회수 방법을 개시하고 있다. 그러나, 코발트, 니켈 등을 추출하고 남은 폐액으로부터 습식 추출에 의해 리튬을 회수하므로 회수율이 지나치게 저감되며, 폐액으로부터 불순물이 다수 발생할 수 있다.
본 발명의 일 과제는 양극 활물질 혼합물로부터 고순도, 고수율 및 고효율로 양극 활물질 전구체를 회수하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 양극 활물질 전구체의 회수 방법은 리튬 복합 산화물을 포함하는 양극 활물질 혼합물을 준비하는 단계; 상기 양극 활물질 혼합물로부터 리튬을 분리하여 예비 전이금속 전구체를 형성하는 단계; 상기 예비 전이금속 전구체를 산 처리하여 복합 전이금속 염 용액을 형성하는 단계; 및 상기 복합 전이금속 염 용액에 산성 추출제를 혼합한 후 염기성 화합물을 첨가하여 복합 전이금속 전구체를 회수하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 예비 전이금속 전구체를 형성하는 단계는 상기 양극 활물질 혼합물을 수소 환원하여 예비 전구체 혼합물을 형성하는 단계 및 상기 예비 전구체 혼합물을 수세 처리하여 리튬을 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 복합 전이금속 염 용액을 형성하는 단계는 상기 복합 전이금속 염 용액의 pH가 0.1 내지 2.0 되도록 상기 예비 전이금속 전구체를 산 처리할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 복합 전이금속 염 용액을 형성하는 단계는 황산을 사용하여 상기 예비 전이금속 전구체를 산 처리할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 복합 전이금속 염 용액은 니켈, 코발트 및 망간으로 구성된 군에서 선택된 적어도 2 이상의 전이금속을 포함하는 전이금속 복합체의 황산염을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 산성 추출제는 인산계 추출제, 포스페이트계 추출제 및 포스핀 옥사이드계 추출제로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 산성 추출제는 희석제를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 희석제는 케로신(kerosene), 헥산(hexane), 벤젠(benzene) 및 톨루엔(toluene)으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 복합 전이금속 전구체를 회수하는 단계는 유기상/수상 비율이 2 내지 10이 되도록 상기 복합 전이금속 염 용액 및 상기 산성 추출제를 혼합할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 복합 전이금속 전구체를 회수하는 단계는 평형 pH가 3.5 내지 6이 되도록 상기 복합 전이금속 염 용액 및 상기 산성 추출제의 혼합물에 염기성 화합물을 첨가할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 염기성 화합물은 수산화 리튬, 수산화 나트륨 및 수산화 칼륨으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 양극 활물질 혼합물로부터 리튬 전구체가 분리된 예비 전이금속 전구체를 산 처리한 후, 산성 추출제 및 염기성 화합물을 사용하여 고순도의 전이금속 전구체를 고수율 및 고효율로 획득할 수 있다.
양극 활물질 혼합물로부터 리튬 전구체를 먼저 분리한 후 전이금속 전구체를 회수하므로, 높은 평형 pH에서 전이금속 전구체를 추출할 수 있다. 이에 따라, 전이금속(예를 들면, 니켈)의 회수율이 향상될 수 있다.
또한, 전이금속을 개별적으로 추출하지 않고 복합 전이금속 전구체 형태로 한꺼번에 추출함으로써 추출 공정이 단순화될 수 있다. 이에 따라, 추출 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 양극 활물질 혼합물로부터 리튬 전구체를 먼저 분리한 후 산성 추출제 및 염기성 화합물을 사용하여 전이금속 전구체를 회수하므로 고수율 및 고효율로 양극 활물질 전구체를 회수할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 용어 "전구체"는 전극 활물질에 포함되는 특정 금속을 제공하기 위해 상기 특정 금속을 포함하는 화합물을 포괄적으로 지칭하는 것으로 사용된다.
일부 실시예들에 따른 본원 양극 활물질 전구체의 회수 방법에서, 리튬 복합 산화물을 포함하는 양극 활물질 혼합물을 준비할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 양극 활물질 혼합물은 폐 리튬 이차 전지로부터 수득될 수 있다. 상기 폐 리튬 이차 전지는 실질적으로 재사용(충방전)이 불가능한 리튬 이차 전지를 포함하며, 예를 들면, 수명이 다하여 충방전 효율이 크게 저하된 리튬 이차 전지 또는 충격이나 화학 반응에 의해 파괴된 리튬 이차 전지를 포함할 수 있다.
상기 폐 리튬 이차 전지는 예를 들면, 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 양극 및 음극은 각각 양극 집전체 및 음극 집전체 상에 코팅된 양극 활물질층 및 음극 활물질층을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 양극 활물질층에 포함된 양극 활물질은 리튬 및 전이금속을 함유하는 산화물을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 양극 활물질은 니켈, 코발트 및 망간을 포함하는 NCM계 리튬 산화물일 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 상기 NCM계 리튬 산화물을 포함하는 양극재뿐만 아니라, 리튬 함유 양극재에 공통적으로 적용될 수 있다.
예를 들면, 상기 폐 리튬 이차 전지로부터 상기 양극을 분리하여 폐 양극을 회수할 수 있다. 상기 양극은 상술한 바와 같이 양극 집전체(예를 들면, 알루미늄(Al)) 및 양극 활물질층을 포함하며, 상기 양극 활물질층은 상술한 양극 활물질과 함께, 도전재 및 결합제를 함께 포함할 수 있다.
상기 도전재는 예를 들면, 흑연, 카본 블랙, 그래핀, 탄소 나노 튜브 등과 같은 탄소계열 물질을 포함할 수 있다. 상기 결합제는 예를 들면, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate) 등의 수지 물질을 포함할 수 있다.
예를 들면, 회수된 상기 양극으로부터 상기 양극 활물질 혼합물을 준비할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "양극 활물질 혼합물"은 회수된 양극으로부터 알루미늄과 같은 양극 집전체 성분이 실질적으로 완전히 분리 제거되고, 상기 도전재 및 결합제로부터 유래된 탄소계 성분들의 함량이 제거 또는 감소된 양극 활물질 혼합물을 의미한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 양극 활물질 혼합물은 회수된 양극을 분쇄 처리와 같이 물리적으로 처리하여 분말 형태로 수득될 수 있다. 상기 양극 활물질 혼합물은 상술한 바와 같이 리튬-전이금속 산화물의 분말을 포함하며, 예를 들면 NCM계 리튬 산화물 분말(예를 들면, Li(NCM)O 2)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 분쇄 처리 전에 회수된 양극을 열처리할 수도 있다. 이에 따라, 상기 분쇄 처리 시 양극 집전체의 탈착을 촉진할 수 있으며, 상기 결합제 및 도전재가 적어도 부분적으로 제거될 수 있다. 상기 열처리 온도는 예를 들면, 약 100 내지 500℃, 바람직하게는 약 350 내지 450℃에서 수행될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 양극 활물질 혼합물은 회수된 상기 양극을 유기 용매에 침지시킨 후 수득될 수 있다. 예를 들면, 회수된 상기 양극을 유기 용매에 침지시켜 상기 양극 집전체를 분리 제거하고, 원심 분리를 통해 상기 양극 활물질 혼합물을 선택적으로 추출할 수 있다.
상술한 공정들을 통해 실질적으로 양극 집전체 성분, 및 도전재 및/또는 결합제로부터 유래된 탄소계 성분들의 함량이 제거 또는 감소된 양극 활물질 혼합물을 획득할 수 있다.
상기 양극 활물질 혼합물은 예를 들면, 전기 화학 소자의 양극 활물질에 사용되는 리튬 함유 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질 혼합물로는 리튬 복합 산화물이 사용될 수 있다.
예를 들면, 상기 리튬 복합 산화물은 리튬과 전이 금속을 포함할 수 있다. 상기 전이 금속은 예를 들면, 니켈, 코발트, 망간 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 리튬 복합 산화물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
Li xNi aCo bM (1-a-b)O y
화학식 1중, M은 Mn, Na, Mg, Ca, Ti, V, Cr, Cu, Zn, Ge, Sr, Ag, Ba, Zr, Nb, Mo, Al, Ga 및 B로 구성된 군에서 선택되고, 0<x≤1.1, 2≤y≤2.02, 0.5≤a≤1, 0≤b≤0.5일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, Ni 함량이 0.5 몰비 이상인 리튬 복합 산화물을 리튬 복합 산화물로 효과적으로 전환할 수 있다.
양극 활물질 혼합물은 비제한적인 예로서 리튬 산화물, 탄산 리튬, 리튬 수산화물 등 다양한 리튬 함유 화합물을 더 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에 있어서, 준비된 양극 활물질 혼합물로부터 리튬을 분리하여 예비 전이금속 전구체를 형성할 수 있다. 예를 들면 상기 양극 활물질 혼합물로부터 리튬을 리튬 산화물 또는 리튬 수산화물 형태로 분리할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 예비 전이금속 전구체를 형성하는 단계는 양극 활물질 혼합물을 환원하여 예비 전구체 혼합물을 형성하는 단계, 및 예비 전구체 혼합물을 수세 처리하여 리튬을 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 예비 양극 활물질 혼합물을 수소 환원 처리하여 예비 전구체 혼합물을 형성한 후, 상기 예비 전구체 혼합물을 수세 처리하여 수산화 리튬을 포함하는 리튬 전구체를 분리할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 수소 환원 처리는 유동층 반응기를 통해 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 양극 활물질 혼합물을 상기 유동층 반응기 내에 투입하고 상기 유동층 반응기 하부에서부터 수소 가스를 주입할 수 있다.
상기 수소 가스에 의해 상기 유동층 반응기 하부에서부터 사이클론이 형성되어 상기 양극 활물질 혼합물과 수소가 접촉하면서 상기 예비 전구체 혼합물이 생성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 수소 가스와 함께 캐리어 가스가 상기 유동층 반응기 하부에서 혼합되어 주입될 수 있다. 이에 따라, 상기 유동층은 기체-고체의 혼합이 증진되어 반응을 촉진할 수 있으며 상기 유동층 반응기 내에서의 상기 예비 전구체 혼합물의 반응층이 용이하게 형성될 수 있다.
상기 캐리어 가스는 예를 들면, 질소(N 2), 아르곤(Ar) 등과 같은 불활성 기체를 포함할 수 있다.
상기 예비 전구체 혼합물은 예를 들면, 상기 양극 활물질 혼합물에 포함된 리튬-전이금속 산화물의 수소 환원 반응물을 포함할 수 있다. 상기 리튬-전이금속 산화물로서 NCM계 리튬 산화물이 사용된 경우, 상기 예비 전구체 혼합물은 예비 리튬 전구체 및 예비 전이금속 전구체를 포함할 수 있다.
상기 예비 리튬 전구체는 리튬 수산화물, 리튬 산화물 및/또는 리튬 탄산화물을 포함할 수 있다.
상기 예비 전이금속 전구체의 전이금속 성분은 회수된 양극 내의 리튬 복합 산화물로부터 유래될 수 있다. 예를 들면, 상기 리튬 복합 산화물이 리튬 산화물로 전환되는 반응에서 상기 전이금속 성분이 분리되어 상기 예비 전이금속 전구체를 형성할 수 있다. 예비 전이금속 전구체는 예를 들면, Ni, Co, NiO, CoO, MnO 등을 포함할 수 있다.
상기 수소 환원 반응은 약 400 내지 700℃, 바람직하게는 약 450 내지 550℃에서 수행될 수 있다.
수세 처리에 의해 상기 예비 리튬 전구체는 실질적으로 리튬 수산화물로 구성된 리튬 전구체로 변환될 수 있다. 예를 들면, 상기 예비 리튬 전구체에 혼입된 리튬 산화물 및 리튬 탄산화물은 물과 반응하여 리튬 수산화물로 전환되거나, 수세되어 제거될 수 있다. 따라서, 원하는 리튬 수산화물 형태로 전환된 고순도의 리튬 전구체가 생성될 수 있다.
상기 예비 리튬 전구체는 물과 반응하여 용해되어 실질적으로 리튬 수산화물 수용액이 제조될 수 있다.
상기 예비 전구체 혼합물에 포함된 상기 예비 전이금속 전구체는 상기 수세 처리에 의해 물에 용해 또는 반응하지 않고 침전될 수 있다. 따라서, 여과 처리에 의해 상기 예비 전이금속 전구체를 분리하여 고순도의 리튬 수산화물을 포함하는 리튬 전구체를 획득할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 수세처리는 이산화탄소(CO 2)가 배제된 조건에서 수행될 수 있다. 예를 들면, CO 2-프리(free) 분위기(예를 들면, CO 2가 제거된 공기(air) 분위기)에서 상기 수세 처리가 수행되므로, 리튬 탄산화물의 재생성을 방지할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수세 처리시 제공되는 물을 CO 2 결여 가스를 이용해 퍼징(예를 들면, 질소 퍼징)하여 CO 2-프리 분위기를 조성할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 예비 전이금속 전구체를 산 처리하여 복합 전이금속 염 용액을 형성할 수 있다. 예를 들면, 복합 전이금속 염 용액은 예비 전이금속 전구체와 산이 반응한 산 염 용액으로서, 황산을 사용하는 경우 복합 전이금속 황산염 용액을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 복합 전이금속 염 용액은 니켈, 코발트 또는 망간을 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 복합 전이금속 염 용액은 니켈, 코발트 및 망간으로 구성된 군에서 선택된 둘 이상의 전이금속 복합체의 산 염 용액을 의미할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 산 처리는 약 50 내지 90℃의 온도의 황산 용액에 상기 예비 전이금속 전구체를 넣고, 약 60 내지 500분 동안 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 산 처리에 의해 형성된 상기 복합 전이금속 염 용액의 평균 pH는 약 0.1 내지 2.0일 수 있다. 상기 온도, 상기 시간 및 상기 pH 범위를 만족하는 경우 보다 용이하게 전이금속 복합체의 산 염 용액을 형성할 수 있다. 또한 전이금속의 추출 효율이 향상될 수 있다.
예를 들면 예비 전이금속 전구체의 산 처리에 사용되는 산의 고액비는 약 140g/L 이하일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 고액비는 약 90g/L 내지 130g/L일 수 있다.
예를 들면 예비 전이금속 전구체의 산 처리에 사용되는 산의 농도는 약 1.8M 이상일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 산의 농도는 약 1.8M 내지 10M일 수 있다.
상기 고액비 범위 및 상기 산의 농도 범위를 만족하는 경우 산화 환원제의 추가 없이도 복합 전이금속 염 용액을 형성할 수 있다. 이에 따라, 고순도의 전이금속 복합체는 고효율로 회수할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 복합 전이금속 염 용액에 산성 추출제를 혼합한 후 염기성 화합물을 첨가하여 복합 전이금속 전구체를 회수할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 산성 추출제는 인산계 추출제, 포스페이트계 추출제 및 포스핀 옥사이드계 추출제로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들면 상기 산성 추출제는 디-2-에틸헥실인산(Di-2-ethylhexyl phosphoric acid), 비스(2,4,4-트리메틸펜틸) 포스핀닉 산(Bis(2,4,4-trimethylpentyl) phosphinic acid), 비스(2,4,4-트리메틸펜틸) 다이티오포스핀닉 산(Bis(2,4,4-trimethylpentyl) phosphinic acid), 2-에틸헥실 인산 모노-2-에틸헥실 에스테르(2-Ethylhexyl phosphoric acid mono-2-ethylhexyl ester), 트리뷰틸포스페이트(Tributyl phosphate) 및 트리옥틸 포스핀 옥사이드(Trioctyl phosphine oxide)로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 산성 추출제는 디-2-에틸헥실인산(Di-2-ethylhexyl phosphoric acid)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 산성 추출제는 복합 전이금속 염 용액에서 전이금속이 추출되는 비율(예를 들면, 전이금속 추출률)을 향상시킬 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 산성 추출제는 희석제를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 희석제는 유기 용매일 수 있다. 예를 들면, 상기 유기 용매는 케로신(kerosene), 헥산(hexane), 벤젠 및 톨루엔으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 유기 용매는 케로신(kerosene)을 포함할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 복합 전이금속 염 용액 및 상기 산성 추출제는 수상에 대한 유기상의 비율(유기상/수상 비율)이 2 내지 10이 되도록 혼합될 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 유기상/수상 비율이 3 내지 7이 되도록 혼합될 수 있다. 예를 들면, 상기 유기상/수상 비율 범위에서 유기상 및 수상의 비율이 적절하여 단위 시간 당 추출되는 복합 전이금속 전구체의 분리 효율이 보다 향상될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 복합 전이금속 염 용액 및 상기 산성 추출제의 혼합물의 평형 pH가 약 3.5 내지 6이 되도록 염기성 화합물을 상기 혼합물에 첨가할 수 있다. 예를 들면, 상기 복합 전이금속 염 용액은 리튬이 이미 한번 분리되어 리튬의 함량이 감소되어, 상대적으로 높은 pH 범위에서 전이금속 추출이 진행될 수 있다. 이에 따라, 전이금속 특히 니켈 및 코발트에 대한 추출률이 향상될 수 있다.
예를 들어 상기 복합 전이금속 염 용액 및 상기 산성 추출제의 혼합물의 평형 pH가 상술한 평형 pH 범위 미만인 경우, 전이금속의 추출률이 저하될 수 있다.
예를 들어 복합 전이금속 염 용액 및 상기 산성 추출제의 혼합물의 평형 pH가 상술한 평형 pH 범위를 초과하는 경우, 금속 침전 등의 부반응이 나타날 수 있다. 또한, 상기 복합 전이금속 염 용액의 평균 pH가 증가함에 따라, 유기상 내에 금속 Loading량이 증가되어 상기 용액의 밀도와 점도가 상승할 수 있다. 이에 따라, 용액의 높은 밀도 및 높은 점도로 인해 유기상의 유동성이 감소하고 수상과의 상분리 효율이 저하될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 염기성 화합물은 수산화 리튬, 수산화 나트륨 및 수산화 칼륨으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 염기성 화합물의 퍼센트 농도는 약 10 내지 60%일 수 있다. 염기성 화합물의 퍼센트 농도가 상기 범위 내에 있는 경우, 복합 전이금속 염 용액 및 산성 추출제의 혼합물의 평형 pH 조절이 원활히 수행될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 양극 활물질 전구체를 준비할 수 있으며, 양극 활물질 전구체에 적절한 처리를 통해 전이금속 수산화물을 얻을 수 있고 이는 양극 활물질 제조에 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예들 및 비교예들을 포함하는 실험예를 제시하나, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1
폐 리튬 이차 전지로부터 회수된 양극재 1kg을 450℃로 열처리한 후, 소단위들로 절단하여 밀링을 통해 분쇄하였다. 분쇄된 양극재를 80㎛ 메쉬 사이즈 체로 걸러내어 양극 집전체 성분(Al) 및 카본계 불순물을 제거하여 양극 활물질 혼합물을 수득하였다.
상기 양극 활물질 혼합물 10g을 컬럼 타입 수소환원 반응기에 충진하고, 20% 수소가스를 주입하여 450℃에서 2시간 동안 반응시켜 예비 전구체 혼합물을 얻었다.
상기 예비 전구체 혼합물을 질소 퍼징된 물 100ml과 반응시킨 후, 여과지를 통해 필터링 하여 원심분리방법으로 리튬 함유 상등액 및 예비 전이금속 전구체 함유 침전물을 획득하였다.
상기 리튬 함유 상등액을 제거한 후 상기 예비 전이금속 전구체 함유 침전물을 건조시켰다. 건조된 상기 침전물 130g을 2mol/L 황산 1L에 투입하여 복합 전이금속 염 용액을 형성하였다. 형성된 상기 복합 전이금속 염 용액의 pH는 0.11이었다.
상기 복합 전이금속 염 용액에 1mol/L의 디-2-에틸헥실 인산 및 케로신을 포함하는 산성 추출제를 투입하여, 상기 복합 전이금속 염 용액 및 산성 추출제의 혼합물을 형성하였다. 상기 혼합물의 유기상/수상 비율은 6이었다. 이후 상기 혼합물에 퍼센트 농도가 50%인 수산화 나트륨을 투입하여, 상기 혼합물의 평형 pH가 4.74가 되도록 조절하며, 복합 전이금속 전구체를 추출하였다.
실시예 2 내지 8
상기 복합 전이금속 염 용액 및 상기 산성 추출제의 상기 혼합물의 평형 pH 및 유기상/수상 비율을 하기 표 1과 같이 조절한 점을 제외하고 실시예 1와 동일한 방법으로 복합 전이금속 전구체를 추출하였다.
비교예 1
폐 리튬 이차 전지로부터 회수된 양극재 1kg을 450℃로 열처리한 후, 소단위들로 절단하여 밀링을 통해 분쇄하였다. 분쇄된 양극재를 80㎛ 메쉬 사이즈 체로 걸러내어 양극 집전체 성분(Al) 및 카본계 불순물을 제거하여 양극 활물질 혼합물을 수득하였다.
상기 양극 활물질 혼합물 200g을 3mol/L 황산 1L에 투입하고, 환원제로서 퍼센트 농도가 35%인 H 2O 2을 황산 투입량 대비 10vol%로 투입하여 복합 전이금속 염 용액을 형성하였다. 형성된 상기 복합 전이금속 염 용액의 pH는 0.48이었다.
상기 복합 전이금속 염 용액에 1mol/L의 디-2-에틸헥실 인산 및 케로신을 포함하는 산성 추출제를 투입하여, 상기 복합 전이금속 염 용액 및 산성 추출제의 혼합물을 형성하였다. 상기 혼합물의 유기상/수상 비율은 6이었다. 이후 상기 혼합물에 퍼센트 농도가 50%인 수산화 나트륨을 투입하여, 상기 혼합물의 평형 pH가 4.7이 되도록 조절하며, 복합 전이금속 전구체를 추출하였다.
비교예 2 내지 4
상기 복합 전이금속 염 용액 및 상기 산성 추출제의 상기 혼합물의 평형 pH 및 유기상/수상 비율을 하기 표 1과 같이 조절한 점을 제외하고 비교예 1와 동일한 방법으로 복합 전이금속 전구체를 추출하였다.
구분 유기상/수상 비율 평형 pH
실시예 1 6 4.7
실시예 2 6 3.8
실시예 3 6 3.2
실시예 4 6 2.5
실시예 5 6 6.1
실시예 6 1 4.7
실시예 7 2 4.7
실시예 8 10 4.7
비교예 1 6 4.7
비교예 2 6 3.6
비교예 3 6 3.4
비교예 4 6 2.3
실험예: 금속추출률 계산
추출 전후 수상에 존재하는 전이금속의 중량%을 비교하여 추출률을 계산하였다. 추출 전후 수상에 존재하는 전이금속의 중량% 및 이를 기초로 계산된 추출률을 표 2에 기재하였다.
구분 추출 전 수상
(중량%)		 추출 후 수상
(중량%)		 추출률(%)
Mn Co Ni Li Mn Co Ni Li Mn Co Ni Li
실시예 1 0.7 0.8 5.9 0.2 0.01 0.1 1.4 0.1 99 87 76 50
실시예 2 0.7 0.8 5.9 0.2 0.01 0.2 2.8 0.1 99 75 53 50
실시예 3 0.7 0.8 5.9 0.2 0.01 0.3 3.6 0.1 99 62 39 50
실시예 4 0.7 0.8 5.9 0.2 0.02 0.5 4.2 0.1 97 38 29 50
실시예 5 0.7 0.8 5.9 0.2 0.01 0.05 1.1 0.1 99 94 81 50
실시예 6 0.7 0.8 5.9 0.2 0.03 0.68 5.6 0.2 96 15 5 0
실시예 7 0.7 0.8 5.9 0.2 0.02 0.43 4.9 0.18 97 46 17 10
실시예 8 0.7 0.8 5.9 0.2 0.01 0.03 0.6 0.06 99 96 90 70
비교예 1 0.7 0.9 6.6 1.0 0.01 0.2 2.9 0.6 99 78 56 40
비교예 2 0.7 0.9 6.6 1.0 0.01 0.3 4.1 0.6 99 67 38 40
비교예 3 0.7 0.9 6.6 1.0 0.01 0.5 4.8 0.6 99 44 27 40
비교예 4 0.7 0.9 6.6 1.0 0.04 0.6 4.9 0.6 94 33 25 40
상기 표 2를 참고하면, 유기상/수상 비율이 증가되면, 유기상 내에 존재하는 금속이 추출될 수 있는 자리수가 많아지므로, 금속의 추출률이 증가되었다.
상기 실시예 5를 참고하면, 상기 복합 전이금속 염 용액 및 상기 산성 추출제의 혼합물의 평균 pH가 6.0을 초과하는 경우, 추출되는 금속의 량이 증가하여, 추출제의 점도 및 밀도가 증가하였다. 이에 따라, 수상과의 분리가 어려웠다.
표 2를 참조하면 복합 전이금속 염 용액, 산성 추출제 및 염기성 화합물의 유기상/수상 비율이 2 내지 10을 만족하고, 평형 pH 범위가 3.5 내지 6을 만족할 때 전이금속의 추출률이 보다 향상되었다.

Claims (11)

  1. 리튬 복합 산화물을 포함하는 양극 활물질 혼합물을 준비하는 단계;
    상기 양극 활물질 혼합물로부터 리튬을 분리하여 예비 전이금속 전구체를 형성하는 단계;
    상기 예비 전이금속 전구체를 산 처리하여 복합 전이금속 염 용액을 형성하는 단계; 및
    상기 복합 전이금속 염 용액에 산성 추출제를 혼합한 후 염기성 화합물을 첨가하여 전이금속 전구체를 회수하는 단계를 포함하는, 양극 활물질 전구체의 회수 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 예비 전이금속 전구체를 형성하는 단계는 상기 양극 활물질 혼합물을 수소 환원하여 예비 전구체 혼합물을 형성하는 단계 및 상기 예비 전구체 혼합물을 수세 처리하여 리튬을 분리하는 단계를 포함하는, 양극 활물질 전구체의 회수 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 복합 전이금속 염 용액을 형성하는 단계는 상기 복합 전이금속 염 용액의 pH가 0.1 내지 2.0 되도록 상기 예비 전이금속 전구체를 산 처리하는, 양극 활물질 전구체의 회수 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 복합 전이금속 염 용액을 형성하는 단계는 황산을 사용하여 상기 예비 전이금속 전구체를 산 처리하는, 양극 활물질 전구체의 회수 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 복합 전이금속 염 용액은 니켈, 코발트 및 망간으로 구성된 군에서 선택된 적어도 2 이상의 전이금속을 포함하는 전이금속 복합체의 황산염을 포함하는, 양극 활물질 전구체의 회수 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 산성 추출제는 인산계 추출제, 포스페이트계 추출제 및 포스핀 옥사이드계 추출제로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는, 양극 활물질 전구체의 회수 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 산성 추출제는 희석제를 더 포함하는, 양극 활물질 전구체의 회수 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 희석제는 케로신(kerosene), 헥산(hexane), 벤젠(benzene) 및 톨루엔(toluene)으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는, 양극 활물질 전구체의 회수 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 전이금속 전구체를 회수하는 단계는 유기상/수상 비율이 2 내지 10이 되도록 상기 복합 전이금속 염 용액 및 상기 산성 추출제를 혼합하는, 양극 활물질 전구체의 회수 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 전이금속 전구체를 회수하는 단계는 평형 pH가 3.5 내지 6이 되도록 상기 복합 전이금속 염 용액 및 상기 산성 추출제의 혼합물에 염기성 화합물을 첨가하는, 양극 활물질 전구체의 회수 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 염기성 화합물은 수산화 리튬, 수산화 나트륨 및 수산화 칼륨으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는, 양극 활물질 전구체의 회수 방법.
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