KR102679541B1 - 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법에 있어서, 폐기된 리튬배터리를 방전 셀에 넣어 방전하는 방전단계; 리튬배터리를 파쇄기를 통해 파쇄하는 제1파쇄단계; 상기 파쇄기를 통해 파쇄된 리튬배터리를 건조하여 배출되는 가스, 전해질 및 흑색 분말을 포집하는 제1포집공정 단계; 상기 제1포집공정 단계를 거친 리튬배터리의 제1잔여물을 밀봉된 드럼 스크리닝 공정에 기초하여 양극 및 음극에 마련된 탄소 분말을 포집하는 제2포집공정 단계; 및 상기 제2포집공정 단계를 거친 리튬배터리의 제2잔여물을 중력 분리기를 통해 구리, 알루미늄 및 분리막 재료를 분리하고, 자석 분리기를 통해 자력이 미치는 금속을 수집하고, 분리막 재료와 구리, 알루미늄을 분리하는 분리공정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법에 있어서, 폐기된 리튬배터리를 방전 셀에 넣어 방전한 후 파쇄 및 분류작업을 통해 재활용 가능한 소재를 분리하도록 하는 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법에 관한 것이다.
폐 리튬배터리 처리는 환경 보호와 자원 재활용 측면에서 중요한 공정이며, 기존의 폐 리튬배터리 처리 과정은 주로 방전, 파쇄, 분리, 그리고 재활용의 네 단계로 구성된다.
방전 단계에서는 안전한 처리를 위해 폐 배터리의 전기를 방전시키고, 이어지는 파쇄 단계에서는 배터리를 물리적으로 분해하여 다양한 재료로 분리하고, 이후 분리 단계에서는 금속과 비금속 재료를 분류하고, 마지막 재활용 단계에서는 분리된 재료들을 다시 사용하기 위한 과정을 거친다.
그러나 기존의 처리 방법은 기존의 방전 및 파쇄 과정은 효율적이지 못해 배터리 내부의 유용한 재료를 충분히 회수하지 못하는 경우가 많으며, 파쇄된 배터리 재료의 분리 과정이 비효율적이어서, 금속과 비금속 재료의 분리가 완벽하지 않아 재활용률이 낮으며, 배터리 처리 과정 중 발생하는 환경 오염 물질의 관리가 충분하지 않아 환경 오염의 우려가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 개선된 방전단계와 제1파쇄단계를 통해 배터리 내부의 유용한 재료를 보다 효율적으로 회수할 수 있어, 자원 재활용률을 크게 향상시키며, 귀중한 금속과 기타 재료의 낭비를 최소화하며,
제2포집공정 단계 및 분리공정 단계를 통해 양극 및 음극에 존재하는 탄소 분말, 구리, 알루미늄 및 분리막 재료를 고순도로 분리할 수 있고, 이를 통해 각 재료의 재활용 가치를 극대화하며, 보다 다양한 산업 분야에서의 재사용을 가능하게 하며,
제1포집공정 단계에서 발생하는 가스, 전해질 및 흑색 분말을 효과적으로 포집 및 처리함으로써 환경 오염을 최소화하여, 폐 리튬배터리 처리 과정에서 발생할 수 있는 환경적 위험을 줄이도록 하며,
제2분류단계에서의 세척, 산처리, 예열 및 건조 과정은 구리 및 알루미늄 재료의 품질을 향상시키며, 이들의 순도를 99% 이상으로 향상시켜, 재활용된 금속의 시장 가치를 높이고, 보다 깨끗하고 순수한 형태로 재활용이 가능하게 하여, 폐 리튬배터리 처리 및 재활용 분야에서 자원의 효율적인 사용 및 환경 보호에 기여하도록 하는 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법에 있어서, 폐기된 리튬배터리를 방전 셀에 넣어 방전하는 방전단계; 리튬배터리를 파쇄기를 통해 파쇄하는 제1파쇄단계; 상기 파쇄기를 통해 파쇄된 리튬배터리를 건조하여 배출되는 가스, 전해질 및 흑색 분말을 포집하는 제1포집공정 단계; 상기 제1포집공정 단계를 거친 리튬배터리의 제1잔여물을 밀봉된 드럼 스크리닝 공정에 기초하여 양극 및 음극에 마련된 탄소 분말을 포집하는 제2포집공정 단계; 및 상기 제2포집공정 단계를 거친 리튬배터리의 제2잔여물을 중력 분리기를 통해 구리, 알루미늄 및 분리막 재료를 분리하고, 자석 분리기를 통해 자력이 미치는 금속을 수집하고, 분리막 재료와 구리, 알루미늄을 분리하는 분리공정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분리공정 단계는 상기 자석분리기를 통해 분리된 분리막 재료와 구리, 알루미늄을 미세 파쇄기를 통해 파쇄하는 제2파쇄단계; 상기 제2파쇄단계를 거친 리튬배터리 잔여물을 초음파 회전 진동체에 기초하여 잔류 미세 흑색 분말 및 격막을 분리하고, 구리 및 알루미늄을 입자와 크기에 따라 각각 분류하는 제1분류단계; 상기 제1분류단계를 거친 후 기 설정된 입자크기 미만으로 미세분리가 필요한 구리 및 알루미늄을 이송하여 비중 분류기를 통해 구리와 알루미늄을 분리 및 수집하여 99% 이상의 순도로 분류하는 제2분류단계를 포함하며, 상기 제2분류단계는 미세분리가 필요한 구리 및 알루미늄 혼합물을 세척하여 탈수 및 건조하는 단계; 세척이 완료된 상기 혼합물에 황산 또는 질산을 통해 오염물질이 제거되도록 산처리를 한 후, 산화방지를 위한 반응성 가스를 도포하여 산화를 방지하는 단계; 및 상기 산화를 방지하는 단계를 거친 구리 및 알루미늄의 상기 혼합물을 120도 내지 150도의 온도에서 10 내지 30분 동안 예열한 후 100도 내지 120도에서 45 내지 60분 동안 추가 건조하는 예열 및 건조단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분리공정 단계는 상기 중력분리기를 기 설정된 회전패턴을 사용하도록 제어하는 단계를 포함하며, 상기 기 설정된 회전패턴은 초기 단계에서 상기 중력분기리의 회전 속도를 분당 300 내지 350회전(RPM)으로 설정하여 금속 입자들의 초기 분리를 촉진하며, 중간 단계에서 상기 중력분기리의 회전 속도를 분당 200 내지 250회전(RPM)으로 감소하도록 설정하며, 마지막 단계에서 상기 중력분기리의 회전 속도를 분당 100 내지 150회전(RPM)으로 감소하도록 설정하며, 상기 제2파쇄단계는 상기 미세 파쇄기에서의 리튬배터리가 파쇄되는 파쇄 영역을 제어하는 단계를 포함하며, 상기 파쇄 영역을 제어하는 단계는 파쇄가 진행될수록 상기 파쇄 영역을 점진적으로 줄이는 것을 특징으로 한다.
개선된 방전단계와 제1파쇄단계를 통해 배터리 내부의 유용한 재료를 보다 효율적으로 회수할 수 있어, 자원 재활용률을 크게 향상시키며, 귀중한 금속과 기타 재료의 낭비를 최소화하며,
제2포집공정 단계 및 분리공정 단계를 통해 양극 및 음극에 존재하는 탄소 분말, 구리, 알루미늄 및 분리막 재료를 고순도로 분리할 수 있고, 이를 통해 각 재료의 재활용 가치를 극대화하며, 보다 다양한 산업 분야에서의 재사용을 가능하게 하며,
제1포집공정 단계에서 발생하는 가스, 전해질 및 흑색 분말을 효과적으로 포집 및 처리함으로써 환경 오염을 최소화하여, 폐 리튬배터리 처리 과정에서 발생할 수 있는 환경적 위험을 줄이도록 하며,
제2분류단계에서의 세척, 산처리, 예열 및 건조 과정은 구리 및 알루미늄 재료의 품질을 향상시키며, 이들의 순도를 99% 이상으로 향상시켜, 재활용된 금속의 시장 가치를 높이고, 보다 깨끗하고 순수한 형태로 재활용이 가능하게 하여, 폐 리튬배터리 처리 및 재활용 분야에서 자원의 효율적인 사용 및 환경 보호에 기여하도록 하는 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법의 개략적 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법의 동작 알고리즘을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법의 파쇄 및 분류하는 동작에 대한 알고리즘을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법의 동작 알고리즘을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법의 파쇄 및 분류하는 동작에 대한 알고리즘을 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 구성요소를 지칭하며, 도면에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 다만, 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 이하의 실시예에 설명된 구성 또는 작용으로만 한정되지는 않는다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에서, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예에서, '구성되다', '포함하다', '가지다' 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 실시예에서, '모듈' 혹은 '부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행하며, 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있으며, 적어도 하나의 모듈로 일체화되어 적어도 하나의 프로세서로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서, 복수의 요소 중 적어도 하나(at least one)는, 복수의 요소 전부 뿐만 아니라, 복수의 요소 중 나머지를 배제한 각 하나 혹은 이들의 조합 모두를 지칭한다. 또한, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한(suitable for)," "~하는 능력을 가지는(having the capacity to)," "~하도록 설계된 (designed to)," "~하도록 변경된(adapted to)," "~하도록 만들어진(made to)," 또는 "~를 할 수 있는(capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. "~하도록 구성된(또는 설정된)"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된(specifically designed to)"것 만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(generic-purpose processor)(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 이는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이며, 이로 인해, 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것은 아님을 밝혀 둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법의 개략적 구성을 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법의 동작 알고리즘을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법의 파쇄 및 분류하는 동작에 대한 알고리즘을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법은 폐기된 리튬배터리를 방전 셀에 넣어 방전하는 방전단계를 포함한다. 본 발명에 따른 방전단계는 폐배터리 처리 과정에서 발생할 수 있는 위험을 최소화하기 위한 것으로, 방전단계에서는 특별히 설계된 방전 셀을 사용하여 폐배터리의 잔존 전력을 제거한다. 한편, 방전 셀은 전기적으로 절연된 재료로 만들어져 있으며, 배터리의 극성에 맞춰 연결되며, 방전 과정은 배터리 종류와 크기에 따라 다를 수 있으며, 몇 시간에서 하루 정도 소요된다.
일 실시예로서, 방전 셀은 폐 리튬배터리의 전압과 용량에 맞추어 구성되며, 예컨대, 방전 셀은 배터리의 전압을 감지하는 센서, 전류를 조절하는 장치, 그리고 안전한 방전을 보장하는 보호 회로를 포함할 수 있고, 방전 과정 동안, 배터리의 온도와 전압은 지속적으로 모니터링되어, 후속 처리 과정에 정보를 제공하도록 구현될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 방전단계는 폐 리튬배터리가 후속 파쇄 과정으로 넘어가기 전에 안전하게 처리되도록 폭발 위험이나 유해한 화학 물질의 누출을 방지하여 폐 리튬배터리의 안전한 처리 및 효율적인 재활용을 가능하게 하는 공정의 기초를 마련하는 역할을 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리는 휴대폰, 노트북, 전기자동차 및 기타 전자기기에 널리 사용되는 에너지 저장 장치이며, 리튬배터리는 고에너지 밀도, 긴 수명, 그리고 비교적 낮은 자가방전률의 특성을 가지고 있다.
한편, 본 발명에 따른 리튬배터리는 원통형이나 각형의 디자인을 가지며, 휴대폰이나 노트북과 같은 휴대용 전자기기에 주로 사용되는 리튬이온 배터리, 유연한 형태로 설계될 수 있어 특정 어플리케이션에 맞춰 제작이 가능하며, 전기자동차와 같은 큰 용량의 에너지 저장이 필요한 장치에 사용되는 리튬폴리머 배터리를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리는 표준 리튬이온 배터리일 수 있으며, 명목 전압이 3.6V에서 3.7V 사이, 용량이 500mAh에서 5000mAh 사이의 범위를 가질 수 있고, 내부 구성 요소는 양극, 음극, 분리막, 그리고 전해질로 구성되어, 양극은 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂)이나 리튬 철 인산염(LiFePO₄)과 같은 물질로 만들어지며, 음극은 흑연이나 리튬 티탄산염(Li₄TiO₁₂) 같은 물질이 사용된 것을 포함할 수 있다
또 다른 일 실시예로, 본 발명에 따른 리튬배터리는 전기자동차(EV) 또는 하이브리드 전기자동차(HEV)에 사용되는 대용량 리튬이온 배터리를 포함할 수 있고, 이러한 리튬배터리는 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA), 리튬 철 인산염(LFP) 등 다양한 종류의 양극 재료를 사용하며, 과열 방지, 과충전 방지, 그리고 충격으로부터 보호하는 다양한 안전 기능을 포함하고 있으며, 배터리의 사이즈는 전기자동차의 설계와 성능 요구에 따라 다양하게 설계될 수 있으며, 일반적으로 여러 개의 셀이 모듈이나 팩 형태로 조합되어 사용된다.
본 발명에서 자동차 배터리의 재활용 공정은 이러한 배터리의 크기와 복잡성을 고려하여 설계될 수 있으며, 예컨대, 대용량 자동차 배터리는 먼저 개별 셀로 분리되고, 각 셀은 방전 단계를 거쳐 안전하게 처리되고, 이후 파쇄 및 분리 공정을 통해 유용한 재료를 회수한다. 이 과정에서 얻어진 구리, 알루미늄, 리튬, 코발트 및 기타 귀중한 금속들은 재활용되어 새로운 배터리 제조 또는 다른 산업 분야에서 활용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법은 리튬배터리를 진공상태를 유지하는 파쇄기를 통해 파쇄하는 제1파쇄단계를 포함한다. 이 단계에서는 폐기된 리튬배터리를 물리적으로 분해하여 각종 재료를 분리하는 과정이 이루어진다.
본 발명에 따른 제1파쇄단계에서 사용되는 진공상태를 유지하는 파쇄기는 배터리의 규격에 따라 다양한 설계가 적용될 수 있으며, 진공 환경은 배터리 내부의 화학 물질이 외부 환경에 노출되는 것을 방지하여 화재나 폭발과 같은 위험을 최소화하고, 이를 통해 작업자의 안전과 환경 보호에 기여할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예로서, 진공상태를 유지하는 파쇄기는 고강도 절단 블레이드를 사용하여 리튬배터리를 효과적으로 분쇄하며, 진공 환경은 외부 공기와의 접촉을 차단함으로써, 배터리 내부의 전해질이 공기와 반응하여 발생할 수 있는 위험을 방지한다. 또한, 이 파쇄기는 분쇄 과정 중에 발생하는 가스와 미세 입자를 포집하는 필터 시스템을 갖추고 있어, 이러한 물질이 작업 환경에 노출되는 것을 방지한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법은 제1포집공정 단계를 거친 리튬배터리의 제1잔여물을 밀봉된 드럼 스크리닝 공정에 기초하여 양극 및 음극에 마련된 탄소 분말을 포집하는 제2포집공정 단계를 포함한다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 제2포집공정 단계에서는 제1파쇄단계와 제1포집공정 단계를 거친 후의 리튬배터리 잔여물을 처리하는데, 특히 밀봉된 드럼 스크리닝 공정을 통해 양극 및 음극에서 나온 탄소 분말을 효과적으로 포집하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 밀봉된 드럼 스크리닝 공정은 회전하는 드럼을 사용하여 파쇄된 배터리 재료를 크기에 따라 분류하며, 드럼은 다양한 크기의 구멍이 있는 필터로 구성되어 있어, 작은 입자는 구멍을 통과하고 큰 입자는 드럼 내부에 남게 되며, 이는 탄소 분말과 같이 미세한 재료를 효과적으로 분리하고 포집하는 데 중요하다.
본 발명에 따른 일 실시예로서, 밀봉된 드럼은 작업 과정 중에 발생할 수 있는 먼지나 기타 오염물질이 외부 환경에 노출되지 않도록 마련되며, 이를 통해 작업 환경을 안전하게 유지하고, 분리된 재료의 순도를 보장하도록 한다. 또한, 드럼의 속도와 회전 각도는 효율적인 분리를 위해 조절될 수 있다.
한편, 제2포집공정 단계를 통해 얻어진 탄소 분말은 배터리의 양극 및 음극에서 주로 나오는 재료로, 재활용 가치가 높으며, 이러한 탄소 분말은 전극 제조 과정에서 다시 사용되거나 다른 산업 분야에서 활용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법은 제2포집공정 단계를 거친 리튬배터리의 제2잔여물을 중력 분리기를 통해 구리, 알루미늄 및 분리막 재료를 분리하고, 자석 분리기를 통해 자력이 미치는 금속을 수집하고, 분리막 재료와 구리, 알루미늄을 분리하는 분리공정 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리공정 단계에서 사용되는 중력 분리기는 재료의 비중 차이를 이용하여 구리와 알루미늄과 같은 무거운 금속을 가벼운 재료, 예컨대, 분리막 재료에서 분리하며, 이를 통해 고밀도 금속과 저밀도 재료를 효율적으로 분류하며, 재활용 가치가 높은 금속을 회수한다.
본 발명에 따른 일 실시예로서, 중력 분리기는 조절 가능한 분리 설정을 가지고 있어, 목적에 따른 크기와 형태의 배터리 재료를 처리할 수 있고, 효율적인 분리를 위해 고속 또는 저속 회전, 경사 각도 등을 조절할 수 있다.
한편, 분리 과정 후에는 자석 분리기를 사용하여 자력을 띠는 금속, 주로 철과 같은 금속을 분리한다. 이 자석 분리기는 강력한 자기장을 생성하여 철분을 포함한 자성 금속을 다른 재료로부터 분리하고, 이를 통해 리튬배터리에서 회수할 수 있는 다양한 금속 종류를 최대화한다.
즉, 본 발명의 분리공정 단계는 리튬배터리 재활용 공정의 효율성을 크게 향상시키며, 구리, 알루미늄 및 분리막 재료의 재활용률을 높임으로써, 고순도 재료의 회수를 통해 재활용 산업에서의 활용 가치를 증가시키며, 환경 보호 및 자원 절약에 기여하도록 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법의 분리공정 단계는 자석분리기를 통해 분리된 분리막 재료와 구리, 알루미늄을 미세 파쇄기를 통해 파쇄하는 제2파쇄단계를 포함한다. 본 발명에 따른 제2파쇄단계에서는 자석분리기를 통해 이미 분리된 분리막 재료와 구리, 알루미늄을 미세 파쇄기를 이용하여 더욱 세분화하는 과정이 이루어진다.
보다 구체적으로 본 발명에 따른 제2파쇄단계에서 사용되는 미세 파쇄기는 매우 높은 정밀도를 가지고 있어, 작은 입자 크기로 금속과 분리막 재료를 파쇄할 수 있고, 이를 통해 재활용을 위한 금속의 순도를 높이고, 최종적인 재활용 과정에서의 효율성을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 미세 파쇄기는 조절 가능한 회전 속도와 절단 블레이드를 갖추고 있으며, 파쇄되는 재료의 종류와 특성에 따라 최적화된 파쇄 과정을 수행한다. 예컨대, 구리와 알루미늄은 상대적으로 부드러운 금속이므로, 더 빠른 회전 속도와 강한 압력을 사용하여 효과적으로 파쇄할 수 있고, 반면, 분리막 재료는 더 섬세한 처리가 필요할 수 있으며, 파쇄기의 설정을 조정하여 이를 수행한다.
한편, 본 발명에 따른 제2파쇄단계를 통해 얻어진 미세한 금속 파우더와 분리막 조각은 이후의 재활용 공정에서 중요한 원료가 될 수 있으며, 예컨대, 미세한 금속 파우더는 전극 제조 또는 다른 산업 분야에서 사용될 수 있으며, 분리막 조각은 특정 재활용 공정을 거쳐 다시 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법은 제2파쇄단계를 거친 리튬배터리 잔여물을 초음파 회전 진동체에 기초하여 잔류 미세 흑색 분말 및 격막을 분리하고, 구리 및 알루미늄을 입자와 크기에 따라 각각 분류하는 제1분류단계를 포함한다. 제1분류단계는 제2파쇄단계를 거친 리튬배터리 잔여물을 처리하여 잔류 미세 흑색 분말 및 격막을 분리하고, 구리 및 알루미늄을 입자 크기와 형태에 따라 각각 분류하는 역할을 한다.
한편, 본 발명에 따른 제1분류단계에서 사용되는 초음파 회전 진동체는 분리 기술을 이용하여 매우 미세한 입자를 효과적으로 분리하며, 초음파 진동을 통해 입자들 사이의 접착력을 줄여주어, 이를 통해 재료들이 서로 달라붙지 않고 분류 과정에서 더 효율적으로 분리될 수 있도록 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예로서, 초음파 회전 진동체는 파쇄된 재료의 물리적 특성에 맞추어 조정될 수 있는 진동 주파수와 회전 속도를 가지며, 이를 통해, 미세한 흑색 분말과 격막 재료는 드럼 스크린의 미세한 구멍을 통해 효과적으로 분리되며, 큰 입자인 구리 및 알루미늄은 분류되어 별도로 수집된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법은 제1분류단계를 거친 후 기 설정된 입자크기 미만으로 미세분리가 필요한 구리 및 알루미늄을 이송하여 비중 분류기를 통해 구리와 알루미늄을 분리 및 수집하여 99% 이상의 순도로 분류하는 제2분류단계를 포함한다. 제2분류단계에서는 제1분류단계를 거친 후에 기 설정된 입자크기 미만으로 미세분리가 필요한 구리 및 알루미늄을 추가적으로 처리하며, 금속들을 비중 분류기를 이용하여 더욱 정밀하게 분리하고, 99% 이상의 순도로 분류하는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 제2분류단계에서 사용되는 비중 분류기는 금속의 밀도 차이를 이용하여 구리와 알루미늄을 분리하며, 비중 분류기는 재료의 비중에 따라 무거운 입자(구리)와 가벼운 입자(알루미늄)를 분리하여 각각 다른 통로로 이동시키고, 이를 통해 재활용을 위한 금속의 순도와 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예로서, 비중 분류기는 구리와 알루미늄의 물리적 특성에 맞추어 세밀하게 조정된다. 예컨대, 구리의 비중은 약 8.96 g/cm³, 알루미늄의 비중은 약 2.70 g/cm³이며, 이 차이를 이용하여 효율적으로 두 금속을 분리하며, 한편 본 발명에 따른 비중 분류기의 설정은 금속 입자의 크기와 형태에 따라 조정될 수 있으며, 최적의 분리 효율을 달성하기 위해 속도, 각도 및 기타 운영 변수를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법에서의 제2분류단계는 미세분리가 필요한 구리 및 알루미늄 혼합물을 세척하여 탈수 및 건조하는 단계를 포함한다. 이 단계는 분리된 금속 혼합물에서 잔여 오염물질과 수분을 제거하여, 금속의 순도와 재활용 효율을 향상시키기 위함이다.
한편, 세척 과정에서 구리와 알루미늄 혼합물을 세척 용액으로 처리하여, 표면에 부착된 오염물질과 유분을 제거하며, 세척된 금속은 이후 탈수 과정을 거쳐, 수분을 최대한 제거한다.
보다 구체적으로 본 발명에 따른 일 실시예로 세척 과정은 금속 혼합물의 특성에 맞추어 조정된 세척 용액과 온도에서 수행될 수 있다. 예컨대, 약한 알칼리성 또는 중성 세척 용액을 사용하여 금속의 부식을 방지하면서 오염물질을 제거하며, 이후 탈수 과정은 원심 분리기나 진공 건조기를 사용하여 수행되며, 이를 통해 금속에서 수분을 효과적으로 제거하여 건조 과정의 효율성을 높인다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법에서의 제2분류단계는 세척이 완료된 상기 혼합물에 황산 또는 질산을 통해 오염물질이 제거되도록 산처리를 한 후, 산화방지를 위한 반응성 가스를 도포하여 산화를 방지하는 단계를 포함한다. 이 단계에서는 세척이 완료된 구리 및 알루미늄 혼합물에 황산 또는 질산을 사용하여 산처리를 수행하여, 금속 혼합물의 표면에 남아 있는 잔여 오염물질을 제거하여 금속의 순도를 향상시키도록 한다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 산처리 과정에서 황산이나 질산은 금속 표면의 불순물과 반응하여 이를 제거하며, 이를 통해 금속 표면의 산화물이나 기타 오염물질을 제거하는데 사용되며, 산처리 후에는 금속을 적절하게 중화하고 씻어내어 산의 잔여물을 제거한다.
본 발명에 따른 일 실시예로서, 산처리된 금속 혼합물은 반응성 가스를 사용하여 산화를 방지하는 처리를 하며, 이때 반응성 가스는 예컨대, 아르곤이나 질소와 같이 반응성이 낮은 가스일 수 있으며, 금속 표면에 도포되어 산화를 방지한다.
즉, 본 발명에 따른 산처리 및 반응성 가스 도포 과정은 구리 및 알루미늄의 품질을 향상시키며, 재활용 과정에서의 가치를 증가시키고, 이를 통해 리튬배터리 재활용 공정에서 금속의 순도를 보장하고, 재활용 효율을 높이도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법의 산화를 방지하는 단계를 거친 구리 및 알루미늄의 혼합물을 120도 내지 150도의 온도에서 10 내지 30분 동안 예열한 후 100도 내지 120도에서 45 내지 60분 동안 추가 건조하는 예열 및 건조단계를 포함한다. 이 단계는 처리된 금속 혼합물의 수분과 잔여 화학물질을 제거하여 최종적인 재활용 공정을 위한 금속의 품질을 향상시키기 위함이다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 예열 단계에서는 구리 및 알루미늄 혼합물을 120도 내지 150도의 온도에서 10 내지 30분 동안 예열하는데, 이는 금속의 내부 수분과 화학물질을 효과적으로 증발시키며, 금속의 건조 과정을 준비하는 역할을 하며, 이를 통해 금속의 표면과 내부의 수분을 균일하게 제거할 수 있다.
이어지는 건조 단계에서는 금속 혼합물을 100도 내지 120도에서 45 내지 60분 동안 추가로 건조하는데, 이 단계는 금속에서 남아있을 수 있는 잔여 수분을 완전히 제거하여, 재활용 공정에서 금속의 순도와 품질을 보장하기 위함이다.
본 발명의 일 실시예로서, 금속 혼합물의 예열 및 건조 과정은 배터리의 사이즈에 따라 기 설계된 건조기에서 이루어질 수 있으며, 이때 건조기는 금속의 종류와 특성에 맞춰 조정 가능한 온도와 시간 설정을 가지고 있으며, 금속이 고르게 건조될 수 있도록 공기 순환 및 열 분배를 최적화하며, 이를 통해 리튬배터리 재활용 공정에서 구리 및 알루미늄의 품질을 향상시켜 최종 재활용된 금속의 품질과 가치를 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법에서 분리공정 단계는 중력분리기를 제어하는 구체적 수단을 포함하며, 중력분리기는 구리와 알루미늄의 분리를 최적화하여 수집되는 금속의 순도를 높이기 위한 기 설정된 회전패턴을 사용하도록 제어될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 중력분리기의 회전패턴은 초기 단계에서는 분리기의 회전 속도를 분당 300 내지 350회전(RPM)으로 설정하여 금속 입자들의 초기 분리를 촉진하고, 이러한 초기 속도는 금속 입자들이 충분히 분리되고, 더 큰 입자가 바닥으로 가라앉도록 돕는다.
이어지는 중간 단계에서는 회전 속도를 분당 200 내지 250회전(RPM)으로 감소시킨다. 이는 무거운 입자(구리)와 가벼운 입자(알루미늄) 사이의 분리를 개선하여 더 세밀한 분리를 가능하게 하며, 중간 단계에서 금속 입자들이 더 오랜 시간 동안 중력분리기 내에서 머물러 있어, 효과적인 분리가 가능하다.
마지막 단계에서는 회전 속도를 분당 100 내지 150회전(RPM)으로 더욱 감소시킨다. 이는 분리된 금속 입자들이 분리기의 출구로 향하는 동안 추가적인 정련을 가능하게 하며, 이를 통해 최종적으로 수집되는 금속의 순도를 높이는데 기여한다.
즉, 본 발명에 따른 이러한 단계적 회전패턴은 중력분리기의 전체적인 효율을 향상시키며, 리튬배터리 분해 및 재활용 공정에서 금속의 순도와 수집량을 최대화한다. 이 공정은 금속의 종류와 크기, 그리고 특성에 따라 세심하게 조정되며, 리튬배터리 재활용의 효율과 품질을 크게 향상시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법에서 제2파쇄단계는 미세 파쇄기의 파쇄 영역 제어를 포함한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 다른 미세 파쇄기는 다중 단계 파쇄 시스템을 포함하여 각 단계에서 파쇄 영역의 크기와 강도를 조절한다. 첫 번째 단계에서는 파쇄 영역을 상대적으로 넓게 설정하여 크기가 큰 입자를 먼저 처리한다. 이 단계에서 파쇄 영역은 폭 30cm, 깊이 20cm로 설정되며, 이는 초기 파쇄에 적합한 크기다.
두 번째 단계에서는 파쇄 영역을 폭 15cm, 깊이 10cm로 줄여 더 세밀한 파쇄를 진행하며, 이 단계에서는 더 작은 입자를 효과적으로 처리할 수 있으며, 파쇄된 재료의 일관성을 향상시킨다.
마지막 단계에서는 파쇄 영역을 폭 5cm, 깊이 5cm로 설정하여 최종적인 미세 파쇄를 수행한다. 이 단계에서 파쇄된 재료는 더 높은 순도와 균일한 크기를 가지며, 재활용 공정에서의 후속 처리에 이상적이다.
즉, 본 발명에 따른 제2파쇄단계에서 미세 파쇄기의 다중 단계 파쇄 영역 제어는 파쇄기의 블레이드 속도, 압력 및 위치를 정밀하게 조절하여 수행되며 미세 파쇄기의 효율성을 극대화하며, 파쇄된 재료의 품질을 보장하고, 최적의 파쇄 효과를 달성하도록 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 파쇄기의 파쇄 영역은 하기 [수학식1]에 기초하여 결정되어 배터리에 따라 조절되어 파쇄의 품질을 향상시킬 수 있다.
[수학식1]
본 발명에 따른 [수학식1]에서 A는 파쇄 영역(제곱센티미터)를 의미하며, L은 파쇄기의 길이(센티미터), W는 파쇄기의 너비, e는 자연상수, D는 배터리의 깊이, B는 패터리의 폭, S는 파쇄기의 속도(RPM), R은 배터리의 가용 재활용 비율(%)를 의미한다.
한편, 본 발명에 따른 [수학식1]에서 파쇄기의 길이와 너비의 곱에 로그를 취함으로써, 파쇄기의 기본적 작업영역을 추정하며 이때 파쇄 영역에 미치는 파쇄기의 크기가 미치는 영향력을 비선형적 수치를 선형적으로 반영하며, 추가로 리튬배터리의 깊이와 폭을 고려한 지수함수를 이용하여 배터리 크기에 따른 파쇄 영역의 변화를 크기가 클수록 더욱 파쇄 영역이 커지도록 반영하며, 파쇄기의 속도 및 가용 재활용 비율에 대응하여 파쇄 영역이 정해지도록 하며, 본 발명에 따른 미세 파쇄기의 파쇄 영역은 파쇄기 내의 파쇄를 위한 로테이터에 닿는 면적을 조절하도록 하는 영역조절부에 의해 구현될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 파쇄기는 파쇄 영역을 정밀하게 조절할 수 있는 영역조절부를 포함하며, 영역조절부는 파쇄기 내부의 로테이터가 파쇄물에 닿는 면적을 조절함으로써, 파쇄 과정의 효율성과 효과를 극대화하도록 구현될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동, 유압, 또는 기계적 장치를 통해 정밀하게 조절되며, 위치 변경을 통해 파쇄 영역의 크기를 조절하도록 이동 가능하도록 마련된 로테이터를 포함하며, 이를 통해 파쇄 영역을 조절할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 미세 파쇄기는 로테이터의 위치, 파쇄되는 재료의 크기 및 형태를 실시간으로 감지하는 센서를 포함하며, 이를 통해 최적의 파쇄 조건을 유지하도록 하며, 센서에서 제공하는 데이터를 기반으로 로테이터의 위치를 자동으로 조절하는 제어부를 포함하며, 제어부는 파쇄기의 효율성을 극대화하기 위해 알고리즘을 사용하여 최적의 파쇄 영역을 계산하고 조절한다.
본 발명에 따른 일 실시예로서, 미세 파쇄기는 배터리 파쇄를 위해 예컨대, 리튬배터리가 미세 파쇄기에 입력되면, 센서는 배터리의 크기와 형태를 감지하고, 이 정보를 제어 시스템에 전달한다. 제어 시스템은 이 데이터를 분석하여 로테이터의 위치를 조절하고, 최적의 파쇄 영역을 설정하고, 이를 통해 배터리는 효과적으로 파쇄되며, 재활용 가능한 재료의 회수율이 극대화된다.
즉, 본 발명의 미세 파쇄기의 영역조절부는 파쇄 과정의 효율성과 정밀성을 높이는 중요한 역할을 하며, 다양한 유형의 재료에 대한 파쇄 과정을 최적화하는 역할을 한다.
10: 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 시스템
Claims (3)
- 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법에 있어서,
폐기된 리튬배터리를 방전 셀에 넣어 방전하는 방전단계;
리튬배터리를 파쇄기를 통해 파쇄하는 제1파쇄단계;
상기 파쇄기를 통해 파쇄된 리튬배터리를 건조하여 배출되는 가스, 전해질 및 흑색 분말을 포집하는 제1포집공정 단계;
상기 제1포집공정 단계를 거친 리튬배터리의 제1잔여물을 밀봉된 드럼 스크리닝 공정에 기초하여 양극 및 음극에 마련된 탄소 분말을 포집하는 제2포집공정 단계; 및
상기 제2포집공정 단계를 거친 리튬배터리의 제2잔여물을 중력 분리기를 통해 구리, 알루미늄 및 분리막 재료를 분리하고, 자석 분리기를 통해 자력이 미치는 금속을 수집하고, 분리막 재료와 구리, 알루미늄을 분리하는 분리공정 단계;를 포함하며,
상기 분리공정 단계는 상기 자석분리기를 통해 분리된 분리막 재료와 구리, 알루미늄을 미세 파쇄기를 통해 파쇄하는 제2파쇄단계;
상기 제2파쇄단계를 거친 리튬배터리 잔여물을 초음파 회전 진동체에 기초하여 잔류 미세 흑색 분말 및 격막을 분리하고, 구리 및 알루미늄을 입자와 크기에 따라 각각 분류하는 제1분류단계;
상기 제1분류단계를 거친 후 기 설정된 입자크기 미만으로 미세분리가 필요한 구리 및 알루미늄을 이송하여 비중 분류기를 통해 구리와 알루미늄을 분리 및 수집하여 99% 이상의 순도로 분류하는 제2분류단계를 포함하며,
상기 제2분류단계는
미세분리가 필요한 구리 및 알루미늄 혼합물을 세척하여 탈수 및 건조하는 단계;
세척이 완료된 상기 혼합물에 황산 또는 질산을 통해 오염물질이 제거되도록 산처리를 한 후, 산화방지를 위한 반응성 가스를 도포하여 산화를 방지하는 단계; 및
상기 산화를 방지하는 단계를 거친 구리 및 알루미늄의 상기 혼합물을 120도 내지 150도의 온도에서 10 내지 30분 동안 예열한 후 100도 내지 120도에서 45 내지 60분 동안 추가 건조하는 예열 및 건조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 분리공정 단계는 상기 중력분리기를 기 설정된 회전패턴을 사용하도록 제어하는 단계를 포함하며,
상기 기 설정된 회전패턴은 초기 단계에서 상기 중력분기리의 회전 속도를 분당 300 내지 350회전(RPM)으로 설정하여 금속 입자들의 초기 분리를 촉진하며, 중간 단계에서 상기 중력분기리의 회전 속도를 분당 200 내지 250회전(RPM)으로 감소하도록 설정하며, 마지막 단계에서 상기 중력분기리의 회전 속도를 분당 100 내지 150회전(RPM)으로 감소하도록 설정하며,
상기 제2파쇄단계는 상기 미세 파쇄기에서의 리튬배터리가 파쇄되는 파쇄 영역을 제어하는 단계를 포함하며,
상기 파쇄 영역을 제어하는 단계는 파쇄가 진행될수록 상기 파쇄 영역을 점진적으로 줄이는 것을 특징으로 하는 리튬배터리 분해 및 재활용 공정 방법.
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR102253804B1 (ko) * | 2019-11-13 | 2021-05-18 | 안효수 | 자동차용 폐이차전지의 블랙파우더 선별분리방법 |
| KR20230156432A (ko) * | 2021-09-01 | 2023-11-14 | 쥐이엠 씨오., 엘티디 | 폐 리튬이온 배터리에서 유가금속을 회수하는 방법 |
-
2024
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