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KR20240135931A - A system for manufacturing lithium hydroxide and a method for manufacturing lithium hydroxide using the same - Google Patents

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KR20240135931A
KR20240135931A KR1020230028951A KR20230028951A KR20240135931A KR 20240135931 A KR20240135931 A KR 20240135931A KR 1020230028951 A KR1020230028951 A KR 1020230028951A KR 20230028951 A KR20230028951 A KR 20230028951A KR 20240135931 A KR20240135931 A KR 20240135931A
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South Korea
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lithium hydroxide
lithium
unit
stream
crystallization
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KR1020230028951A
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김정식
신현수
현순택
박찬종
Original Assignee
(주) 테크윈
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Abstract

본 발명의 일 측면은, 격막에 의해 구획된 양극실 및 음극실을 포함하는 전기분해부; 및 상기 음극실에서 생성된 음극생성물의 일부를 냉각하여 고체상 수산화리튬을 생성하는 결정화부;를 포함하는 수산화리튬의 제조시스템 및 이를 이용한 수산화리튬의 제조방법을 제공한다.One aspect of the present invention provides a lithium hydroxide production system including an electrolysis unit including an anode chamber and a cathode chamber partitioned by a diaphragm; and a crystallization unit cooling a portion of the cathode product produced in the cathode chamber to produce solid lithium hydroxide; and a method for producing lithium hydroxide using the same.

Description

수산화리튬의 제조시스템 및 이를 이용한 수산화리튬의 제조방법{A SYSTEM FOR MANUFACTURING LITHIUM HYDROXIDE AND A METHOD FOR MANUFACTURING LITHIUM HYDROXIDE USING THE SAME}{A SYSTEM FOR MANUFACTURING LITHIUM HYDROXIDE AND A METHOD FOR MANUFACTURING LITHIUM HYDROXIDE USING THE SAME}

본 발명은 수산화리튬의 제조시스템 및 이를 이용한 수산화리튬의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는, 원료 및/또는 중간물의 처리공정을 실질적으로 생략하여 생산성을 높임과 동시에 고순도의 수산화리튬을 안정적으로 얻을 수 있는 수산화리튬의 제조시스템 및 이를 이용한 수산화리튬의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system for manufacturing lithium hydroxide and a method for manufacturing lithium hydroxide using the same, and more particularly, to a system for manufacturing lithium hydroxide capable of substantially omitting a process for processing raw materials and/or intermediates, thereby increasing productivity and stably obtaining high-purity lithium hydroxide, and a method for manufacturing lithium hydroxide using the same.

리튬은 이차전지, 유리, 세라믹, 합금, 윤활유, 제약 등 산업 전반에 다양하게 사용되고 있는데, 특히, 리튬이차전지는 최근 하이브리드 및 전기자동차의 주요 동력원으로 주목받고 있으며 이러한 전기자동차용 리튬이차전지는 휴대폰, 노트북 등 기존의 소형 배터리 시장의 100배 이상의 거대 시장으로 성장할 것으로 예측되고 있다. 또한, 범세계적으로 이루어지고 있는 환경 규제 강화로 인해 전기자동차 산업뿐만 아니라 전자, 화학, 에너지 등으로 그 응용 분야도 확대되고 있다.Lithium is used in various industries such as secondary batteries, glass, ceramics, alloys, lubricants, and pharmaceuticals. In particular, lithium secondary batteries have recently attracted attention as the main power source for hybrid and electric vehicles, and the lithium secondary batteries for electric vehicles are expected to grow into a huge market that is more than 100 times larger than the existing small battery market for mobile phones, laptops, etc. In addition, due to the strengthening of environmental regulations worldwide, the application fields are expanding to electronics, chemicals, energy, etc. in addition to the electric vehicle industry.

현재 리튬의 주요 공급원은 천연의 염호(salt lake)에서 산출되는 염수(brine)이며, 이러한 염수는 리튬을 비롯해 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨과 같은 다양한 염류를 포함한다. 상기 염수로부터 고순도의 리튬을 회수하기 위해서는, 먼저, 리튬 이외의 염류를 불순물로 제거하는 한편, 염수 중 리튬의 농도가 매우 낮기 때문에 고액분리가 어려워 리튬의 회수율이 낮은 문제를 해결할 필요가 있다.Currently, the main source of lithium is brine produced from natural salt lakes, and this brine contains various salts such as lithium, magnesium, calcium, sodium, and potassium. In order to recover high-purity lithium from the brine, first, salts other than lithium must be removed as impurities, and at the same time, since the concentration of lithium in the brine is very low, it is difficult to separate solid and liquid, so the recovery rate of lithium is low.

종래 염호에서 염수를 펌핑하여 증발못(evaporation ponds)에 가둔 후 장시간에 걸쳐 염수로부터 물을 증발시켜 리튬을 농축시키고 불순물을 침전시켜 고액분리하거나, 이온교환수지를 이용하여 불순물을 흡착한 다음 리튬화합물을 회수하는 방법을 사용해왔다.Conventionally, brine has been pumped from a salt lake, stored in evaporation ponds, and then evaporated from the brine over a long period of time to concentrate lithium, precipitate impurities, and separate solids and liquids, or adsorb impurities using an ion exchange resin and then recover lithium compounds.

다만, 이 경우 염수의 증발 및 농축을 위한 많은 에너지와 시간이 소요되어 생산성이 저하되고, 염수의 증발 및 농축 과정에서 리튬이 다른 불순물과 함께 석출될 뿐만 아니라, 불순물의 고액분리 과정에서 리튬이 함께 공침되어 리튬이 손실되어 리튬의 회수율이 감소하고, 리튬 화합물의 회수 시 불순물이 함께 석출되어 리튬화합물의 순도를 높이기 어려운 문제가 있다.However, in this case, since a lot of energy and time are required for evaporation and concentration of the brine, productivity is reduced, and lithium is not only precipitated together with other impurities during the evaporation and concentration of the brine, but also lithium is coprecipitated together during the solid-liquid separation of the impurities, resulting in loss of lithium and a decrease in the recovery rate of lithium. In addition, since impurities are precipitated together when recovering the lithium compound, it is difficult to increase the purity of the lithium compound.

이와 같이 염수로부터 수산화리튬을 생산하는 다양한 공정이 공지되어 있다. 이러한 공정은 주로 양극실 및 음극실이 소정의 이온교환막에 의해 구획된 전기분해조에서 이루어진다. 여기서, 염수와 물이 각각 양극실과 음극실로 제공되고, 양극실에서 생성된 리튬이온은 이온교환막을 투과하여 음극실로 이동하여 음극실에서 생성된 수산화이온과 반응함으로써 수산화리튬이 생성된다.Various processes for producing lithium hydroxide from brine are known. These processes are mainly carried out in an electrolysis tank in which an anode chamber and a cathode chamber are partitioned by a predetermined ion exchange membrane. Here, brine and water are supplied to the anode chamber and the cathode chamber, respectively, and lithium ions produced in the anode chamber pass through the ion exchange membrane to move to the cathode chamber and react with hydroxide ions produced in the cathode chamber, thereby producing lithium hydroxide.

수산화리튬의 순도를 높이기 위한 수단으로, 염수를 처리하여 불순물을 거의 포함하지 않는 원료(리튬염 수용액)를 제공하는 방법, 음극실에서 생성된 물질(수산화리튬을 함유함)을 처리하여 불순물의 양을 소정의 범위로 제어한 다음 결정화하는 방법 등이 제안되었으나, 염수 및/또는 기타 물질을 처리하기 위한 공정(농축, 흡착, 정제, 여과, 세정, 침전 등), 시약, 설비 등에 의해 경제성, 생산성, 유지보수성이 저하되고, 고순도의 원료 역시 소정의 농도로 희석하여 적용되므로 전류밀도와 그에 따른 전기분해효율이 낮아지며, 세정과 같은 처리과정이 반복됨에 따라 리튬이 불순물과 함께 손실되는 문제가 있다.As a means of increasing the purity of lithium hydroxide, a method of providing a raw material (lithium salt solution) containing almost no impurities by treating brine, a method of treating a substance generated in a cathode chamber (containing lithium hydroxide) to control the amount of impurities within a predetermined range, and then crystallizing the same have been proposed. However, the economy, productivity, and maintainability are reduced due to processes (concentration, adsorption, purification, filtration, washing, precipitation, etc.), reagents, and equipment for treating brine and/or other substances. In addition, since high-purity raw materials are also diluted to a predetermined concentration and applied, the current density and thus electrolysis efficiency are reduced. In addition, there is a problem that lithium is lost together with impurities as treatment processes such as washing are repeated.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 원료 및/또는 중간물의 처리공정을 실질적으로 생략하여 생산성을 높임과 동시에 고순도의 수산화리튬을 안정적으로 얻을 수 있는 수산화리튬의 제조시스템 및 이를 이용한 수산화리튬의 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention is intended to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to provide a lithium hydroxide manufacturing system capable of substantially omitting the processing steps of raw materials and/or intermediates, thereby increasing productivity and stably obtaining high-purity lithium hydroxide, and a method for manufacturing lithium hydroxide using the same.

본 발명의 일 측면은, 격막에 의해 구획된 양극실 및 음극실을 포함하는 전기분해부; 및 상기 음극실에서 생성된 음극생성물의 일부를 냉각하여 고체상 수산화리튬을 생성하는 결정화부;를 포함하는 수산화리튬의 제조시스템을 제공한다.One aspect of the present invention provides a system for producing lithium hydroxide, including: an electrolysis unit including an anode chamber and a cathode chamber partitioned by a diaphragm; and a crystallization unit for cooling a portion of a cathode product generated in the cathode chamber to generate solid lithium hydroxide.

일 실시예에 있어서, 상기 전기분해부의 온도는 70~100℃일 수 있다.In one embodiment, the temperature of the electrolysis unit may be 70 to 100°C.

일 실시예에 있어서, 상기 결정화부의 온도는 60℃ 이하일 수 있다.In one embodiment, the temperature of the crystallization unit may be 60° C. or less.

일 실시예에 있어서, 상기 냉각은 단계적으로 이루어질 수 있다.In one embodiment, the cooling may be performed in stages.

일 실시예에 있어서, 상기 수산화리튬의 제조시스템은 상기 음극생성물의 잔부를 상기 결정화부로부터 상기 음극실로 순환하는 제1 순환부를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the lithium hydroxide manufacturing system may further include a first circulation unit for circulating the remainder of the cathode product from the crystallization unit to the cathode chamber.

일 실시예에 있어서, 상기 수산화리튬의 제조시스템은 외부로부터 리튬염 수용액을 제공받아 상기 양극실에 리튬-풍부(lithium-enriched) 스트림을 제공하는 공급부; 및 상기 양극실에서 생성된 양극생성물의 적어도 일부를 상기 공급부로 순환하는 제2 순환부;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the lithium hydroxide production system may further include a supply unit that receives a lithium salt aqueous solution from the outside and provides a lithium-enriched stream to the anode chamber; and a second circulation unit that circulates at least a portion of the anode product produced in the anode chamber to the supply unit.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 순환부는 순환되는 상기 양극생성물에 산(acid)을 가하는 재생부를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the second circulation unit may further include a regeneration unit that adds acid to the circulated positive electrode product.

일 실시예에 있어서, 상기 산의 농도는 ClO3 - 1mol/L을 기준으로 3mol/L 이상일 수 있다.In one embodiment, the concentration of the acid may be 3 mol/L or more based on ClO 3 - 1 mol/L.

일 실시예에 있어서, 상기 수산화리튬의 제조시스템은 상기 수산화리튬 중 일부를 상기 공급부 및 상기 리튬염 수용액 중 적어도 하나로 순환하는 제3 순환부를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the lithium hydroxide manufacturing system may further include a third circulation unit that circulates some of the lithium hydroxide to at least one of the supply unit and the lithium salt aqueous solution.

일 실시예에 있어서, 상기 결정화부는, 상기 음극생성물을 수용하는 버퍼조, 및 상기 버퍼조에서 오버플로우된 상기 음극생성물 중 일부를 냉각하여 고체상 수산화리튬을 생성하는 결정화조를 포함할 수 있다.In one embodiment, the crystallization unit may include a buffer tank that accommodates the cathode product, and a crystallization tank that cools a portion of the cathode product overflowing from the buffer tank to produce solid lithium hydroxide.

본 발명의 다른 일 측면은, 상기 수산화리튬의 제조시스템을 이용한 수산화리튬의 제조방법에 있어서, (a) 상기 양극실로 리튬-풍부 스트림을 공급하고, 상기 음극실로 물 및 수산화리튬-결핍(lithium hydroxide-reduced) 스트림 중 적어도 하나를 공급하는 단계; (b) 상기 전기분해부에 전류를 인가하여 상기 양극실에서 리튬-결핍(lithium-reduced) 스트림을 얻고, 상기 음극실에서 수산화리튬-풍부(lithium hydroxide-enriched) 스트림을 얻는 단계; (c) 상기 수산화리튬-풍부 스트림을 상기 결정화부로 이송하는 단계; 및 (d) 상기 결정화부를 냉각하여 상기 수산화리튬-풍부 스트림 중 일부를 결정화하여 고체상 수산화리튬을 생성하는 단계;를 포함하는 수산화리튬의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method for producing lithium hydroxide using the lithium hydroxide production system, the method comprising the steps of: (a) supplying a lithium-rich stream to the anode chamber and supplying at least one of water and a lithium hydroxide-reduced stream to the cathode chamber; (b) applying current to the electrolysis unit to obtain a lithium-reduced stream from the anode chamber and a lithium hydroxide-enriched stream from the cathode chamber; (c) transferring the lithium hydroxide-rich stream to the crystallization unit; and (d) cooling the crystallization unit to crystallize a portion of the lithium hydroxide-rich stream to produce solid lithium hydroxide.

본 발명의 일 측면에 따른 수산화리튬의 제조시스템은, 격막에 의해 구획된 양극실 및 음극실을 포함하는 전기분해부; 및 상기 음극실에서 생성된 음극생성물의 일부를 냉각하여 고체상 수산화리튬을 생성하는 결정화부;를 포함함으로써, 원료 및/또는 중간물의 처리공정을 실질적으로 생략하여 생산성을 높임과 동시에 고순도의 수산화리튬을 안정적으로 얻을 수 있다.A lithium hydroxide manufacturing system according to one aspect of the present invention comprises: an electrolysis unit including an anode chamber and a cathode chamber partitioned by a membrane; and a crystallization unit cooling a portion of the cathode product generated in the cathode chamber to generate solid lithium hydroxide; thereby substantially omitting a process for processing raw materials and/or intermediates, thereby increasing productivity and stably obtaining high-purity lithium hydroxide.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the effects described above, but include all effects that can be inferred from the composition of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수산화리튬의 제조시스템을 나타낸다.
도 2는 온도에 따른 수산화리튬의 용해도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수산화리튬의 제조시스템을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수산화리튬의 제조시스템을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수산화리튬의 제조시스템을 나타낸다.
Figure 1 shows a system for manufacturing lithium hydroxide according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the solubility of lithium hydroxide according to temperature.
Figure 3 shows a system for manufacturing lithium hydroxide according to another embodiment of the present invention.
Figure 4 shows a system for manufacturing lithium hydroxide according to another embodiment of the present invention.
Figure 5 shows a system for manufacturing lithium hydroxide according to another embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the present invention can be implemented in various different forms, and therefore is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are assigned similar drawing reference numerals throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "indirectly connected" with another part in between. Also, when a part is said to "include" a certain component, this does not mean that it excludes other components, but rather that it can have other components, unless otherwise specifically stated.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수산화리튬의 제조시스템을 나타낸다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수산화리튬의 제조시스템은, 격막(11)에 의해 구획된 양극실(12) 및 음극실(13)을 포함하는 전기분해부(10); 및 상기 음극실(13)에서 생성된 음극생성물의 일부를 냉각하여 고체상 수산화리튬을 생성하는 결정화부(20);를 포함할 수 있다.Figure 1 shows a lithium hydroxide manufacturing system according to one embodiment of the present invention. Referring to Figure 1, a lithium hydroxide manufacturing system according to one embodiment of the present invention may include an electrolysis unit (10) including an anode chamber (12) and a cathode chamber (13) partitioned by a membrane (11); and a crystallization unit (20) that cools a portion of the cathode product generated in the cathode chamber (13) to generate solid lithium hydroxide.

상기 전기분해부(10)는 격막(11)에 의해 구획된 양극실(12) 및 음극실(13)을 포함할 수 있다. 상기 격막(11)은 이온교환막일 수 있고, 바람직하게는, 리튬이온(Li+)을 선택적으로 투과할 수 있는 양이온교환막일 수 있다. 상기 양이온교환막으로는 상업적으로 구득가능한 것을 사용할 수 있고, 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다.The above electrolysis unit (10) may include an anode chamber (12) and a cathode chamber (13) partitioned by a diaphragm (11). The diaphragm (11) may be an ion exchange membrane, and preferably, may be a cation exchange membrane that selectively allows lithium ions (Li + ) to pass through. A commercially available one may be used as the cation exchange membrane, and its type is not particularly limited.

상기 전기분해부(10)의 구동이 개시되는 시점에, 상기 양극실(12)에 리튬-풍부(lithium-enriched) 스트림(LE), 예를 들어, 리튬염 수용액으로서 염화리튬(LiCl), 황산리튬(Li2SO4), 탄산리튬(Li2CO3) 수용액이, 상기 음극실(13)에 물(H2O)이 원료로 공급될 수 있다.At the time when the operation of the electrolysis unit (10) is initiated, a lithium-enriched stream (LE), for example, a lithium salt aqueous solution such as lithium chloride (LiCl), lithium sulfate (Li 2 SO 4 ), or lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) can be supplied to the anode chamber (12), and water (H 2 O) as a raw material can be supplied to the cathode chamber (13).

상기 전기분해부(10)에 소정의 전류가 인가되면 상기 리튬염의 종류에 따라 상기 양극실(12) 및 상기 음극실(13)에서는 아래 표 1과 같은 반응이 일어날 수 있다.When a predetermined current is applied to the electrolysis unit (10), a reaction as shown in Table 1 below may occur in the anode chamber (12) and the cathode chamber (13) depending on the type of lithium salt.

구분division 양극실 (anode)anode 음극실 (cathode)cathode chamber 염화리튬lithium chloride LiCl → Li+ + Cl-2Cl- → Cl2(g) + 2e- LiCl → Li + + Cl - 2Cl - → Cl 2 (g) + 2e - 2H2O + 2e- → H2(g) + 2OH-
2Li+ + 2OH- →2LiOH(aq)
2H 2 O + 2e - → H 2 (g) + 2OH -
2Li + + 2OH - →2LiOH(aq)
황산리튬lithium sulfate 2Li2SO4 + 2H2O → 2H2SO4 + 4Li+ + O2(g) + 2e- 2Li 2 SO 4 + 2H 2 O → 2H 2 SO 4 + 4Li + + O 2 (g) + 2e - 2H2O + 2e- → H2(g) + 2OH-2Li+ + 2OH- →2LiOH(aq)2H 2 O + 2e - → H 2 (g) + 2OH - 2Li + + 2OH - →2LiOH(aq) 탄산리튬lithium carbonate 2Li2CO3 → 4Li+ + 2CO2(g) + O2(g) + 2e- 2Li 2 CO 3 → 4Li + + 2CO 2 (g) + O 2 (g) + 2e - 2H2O + 2e- → H2(g) + 2OH-2Li+ + 2OH- →2LiOH(aq)2H 2 O + 2e - → H 2 (g) + 2OH - 2Li + + 2OH - →2LiOH(aq)

상기 양극실(12)에서 생성된 양극생성물은 리튬이온, 미반응 리튬염, 염소가스(또는 산소가스) 및 물을 포함할 수 있다. 상기 리튬이온은 상기 격막(11)을 투과하여 상기 음극실(13)로 이동하고, 상기 미반응 리튬염은 물과 함께 후술할 리튬-결핍(lithium-reduced) 스트림(LR)을 구성하여 상기 양극실(12)의 외부로 배출되거나 후술할 공급부(30)로 순환될 수 있고, 상기 염소가스(또는 산소가스) 또한 부생가스로서 상기 양극실(12)의 외부로 배출될 수 있다.The cathode product generated in the anode chamber (12) may include lithium ions, unreacted lithium salt, chlorine gas (or oxygen gas), and water. The lithium ions pass through the diaphragm (11) and move to the cathode chamber (13), and the unreacted lithium salt, together with water, may form a lithium-reduced stream (LR) to be described later and may be discharged to the outside of the anode chamber (12) or circulated to the supply unit (30) to be described later, and the chlorine gas (or oxygen gas) may also be discharged to the outside of the anode chamber (12) as a by-product gas.

상기 음극실(13)에서 생성된 음극생성물은 수산화리튬, 수소가스 및 물을 포함할 수 있다. 상기 음극생성물 중 상기 수산화리튬은 물과 함께 후술할 수산화리튬-풍부(lithium hydroxide-enriched) 스트림(LHE)을 구성하여 상기 결정화부(20)로 이송될 수 있고, 상기 수소가스는 부생가스로서 상기 음극실(13)의 외부로 배출될 수 있다.The cathode product generated in the cathode chamber (13) may include lithium hydroxide, hydrogen gas, and water. Among the cathode products, the lithium hydroxide may be transported to the crystallization unit (20) together with water to form a lithium hydroxide-enriched stream (LHE) to be described later, and the hydrogen gas may be discharged to the outside of the cathode chamber (13) as a by-product gas.

이러한 반응을 유도하기 위한 상기 전기분해부(10)의 온도는 70~100℃, 바람직하게는, 75~90℃, 더 바람직하게는, 80~90℃일 수 있다. 상기 전기분해부(10)의 온도가 70℃ 미만이면 반응효율이 저하될 수 있고, 100℃ 초과이면 반응이 불안정하거나 에너지효율이 저하될 수 있다.The temperature of the electrolysis unit (10) for inducing this reaction may be 70 to 100°C, preferably 75 to 90°C, and more preferably 80 to 90°C. If the temperature of the electrolysis unit (10) is less than 70°C, the reaction efficiency may be reduced, and if it is more than 100°C, the reaction may be unstable or the energy efficiency may be reduced.

상기 음극생성물 중 적어도 일부, 바람직하게는, 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE)은 상기 결정화부(20)로 이송될 수 있고, 상기 결정화부(20)는 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE)을 냉각하여 고체상 수산화리튬을 생성할 수 있다.At least a portion of the above cathode product, preferably the lithium hydroxide-rich stream (LHE), can be transported to the crystallization unit (20), and the crystallization unit (20) can cool the lithium hydroxide-rich stream (LHE) to produce solid lithium hydroxide.

도 2는 수산화리튬 수용액에서, 온도에 따른 수산화리튬의 용해도를 나타낸 그래프이다. 도 2를 참고하면, 수산화리튬의 용해도는 상기 전기분해부(10)의 온도, 예를 들어, 약 80℃에서 약 14g/100g이고, 그 온도를 낮출수록 감소하여 약 60℃에서 약 12.3g/100g일 수 있다. 여기서, 수산화리튬의 용해도는 온도에 비례하여 선형적으로 감소하는 것은 아니며, 약 60℃ 이하, 바람직하게는, 20~60℃에서 용해도의 변화가 다소 둔화되는 경향을 보인다.FIG. 2 is a graph showing the solubility of lithium hydroxide according to temperature in a lithium hydroxide aqueous solution. Referring to FIG. 2, the solubility of lithium hydroxide is about 14 g/100 g at the temperature of the electrolysis unit (10), for example, about 80°C, and decreases as the temperature is lowered, and may be about 12.3 g/100 g at about 60°C. Here, the solubility of lithium hydroxide does not decrease linearly in proportion to the temperature, and shows a tendency for the change in solubility to be somewhat slowed down at about 60°C or lower, preferably, at 20 to 60°C.

상기 전기분해부(10)에서 상기 음극생성물의 온도는 상기 전기분해부(10)의 온도와 실질적으로 동일할 수 있고, 상기 음극생성물 중 수산화리튬은 대부분 수용액 중에 용해된 상태로 존재할 수 있다.In the electrolysis unit (10), the temperature of the cathode product may be substantially the same as the temperature of the electrolysis unit (10), and most of the lithium hydroxide among the cathode products may exist in a dissolved state in an aqueous solution.

상기 결정화부(20)는 상기 음극생성물 중 일부, 구체적으로, 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE)을 60℃ 이하, 바람직하게는, 20~60℃, 더 바람직하게는, 20~30℃의 온도로 냉각하여 용해도 차에 따라 고체상 수산화리튬을 생성할 수 있다. 상기 결정화부(20)의 온도가 60℃ 초과이면 고체상 수산화리튬의 수율과 순도가 저하될 수 있다.The above crystallization unit (20) can cool some of the above cathode products, specifically, the lithium hydroxide-rich stream (LHE), to a temperature of 60°C or lower, preferably, 20 to 60°C, more preferably, 20 to 30°C, to produce solid lithium hydroxide according to the solubility difference. If the temperature of the above crystallization unit (20) exceeds 60°C, the yield and purity of the solid lithium hydroxide may decrease.

고체상 수산화리튬은 상기 결정화부(20)의 하부에 침전될 수 있고, 상기 결정화부(20)의 상부에는 수용액으로서 수산화리튬-결핍(lithium hydroxide-reduced) 스트림(LHR)과 부생가스인 수소가스가 체류할 수 있다. 필요 시, 상기 수산화리튬-결핍 스트림(LHR)은 상기 음극실(13)로 이송, 순환될 수 있고, 수소가스는 적절한 수단에 의해 상기 결정화부(20)의 외부로 배출될 수 있다.Solid lithium hydroxide may be precipitated at the bottom of the crystallization unit (20), and a lithium hydroxide-reduced stream (LHR) and hydrogen gas, which is a by-product gas, may remain at the top of the crystallization unit (20) as an aqueous solution. When necessary, the lithium hydroxide-reduced stream (LHR) may be transported and circulated to the cathode chamber (13), and the hydrogen gas may be discharged to the outside of the crystallization unit (20) by an appropriate means.

상기 결정화부(20)로 유입된 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE)의 온도는 실질적으로 상기 전기분해부(10)의 온도와 동일할 수 있다. 상기 결정화부(20)가 60℃ 이하의 온도로 예열된 상태에서 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE)이 상기 결정화부(20)로 유입되는 경우 계(system)의 온도가 급격히 변화하여 수산화리튬의 결정화에 화학적 충격을 야기할 수 있고, 특히, 결정화된 수산화리튬에 다량의 불순물이 혼입되는 등 결정화가 불안정해질 수 있다. 이에 대해, 수산화리튬의 결정화를 위한 상기 결정화부(20)의 냉각은 단계적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 결정화부(20)의 냉각은 상기 전기분해부(10)에 의해 가열된 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE)의 온도를 연속적으로 및/또는 불연속적으로 60℃ 이하로 조절하는 방식으로 이루어질 수 있다.The temperature of the lithium hydroxide-rich stream (LHE) introduced into the crystallization unit (20) may be substantially the same as the temperature of the electrolysis unit (10). If the lithium hydroxide-rich stream (LHE) is introduced into the crystallization unit (20) while the crystallization unit (20) is preheated to a temperature of 60° C. or lower, the temperature of the system may change rapidly, which may cause a chemical shock to the crystallization of lithium hydroxide, and in particular, the crystallization may become unstable, such as due to the mixing of a large amount of impurities into the crystallized lithium hydroxide. In response to this, the cooling of the crystallization unit (20) for the crystallization of lithium hydroxide may be performed in steps. For example, the cooling of the crystallization unit (20) may be performed by continuously and/or discontinuously controlling the temperature of the lithium hydroxide-rich stream (LHE) heated by the electrolysis unit (10) to 60° C. or lower.

상기 전기분해부(10) 및/또는 상기 결정화부(20)의 온도는 소정의 열교환부에 의해 조절, 유지될 수 있고, 상기 열교환부는 공랭식, 수랭식, 전기식과 같은 다양한 방식으로 구동할 수 있다.The temperature of the electrolysis unit (10) and/or the crystallization unit (20) can be controlled and maintained by a predetermined heat exchange unit, and the heat exchange unit can be driven in various ways such as air cooling, water cooling, and electric cooling.

상기 수산화리튬의 제조시스템은 상기 음극생성물의 잔부, 구체적으로, 상기 음극생성물 중 결정화된 고체상 수산화리튬을 제외한 상기 수산화리튬-결핍 스트림(LHR)을 상기 결정화부(20)로부터 상기 음극실(13)로 순환하는 제1 순환부(R1)를 더 포함할 수 있다. 상기 수산화리튬-결핍 스트림(LHR)은 미반응 리튬이온, 미량의 수산화리튬, 불순물 및 물을 포함할 수 있다. 상기 제1 순환부(R1)는 상기 수산화리튬-결핍 스트림(LHR)을 상기 음극실(13)로 순환하고, 순환된 상기 수산화리튬-결핍 스트림(LHR)에 포함된 상기 수산화리튬은 상기 음극실(13)에서의 반응에 다시 참여하여 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE) 중 수산화리튬의 농도를 높이는데 기여할 수 있다.The above lithium hydroxide manufacturing system may further include a first circulation unit (R1) for circulating a lithium hydroxide-deficient stream (LHR) excluding the remainder of the cathode product, specifically, crystallized solid-phase lithium hydroxide among the cathode product, from the crystallization unit (20) to the cathode chamber (13). The lithium hydroxide-deficient stream (LHR) may include unreacted lithium ions, a trace amount of lithium hydroxide, impurities, and water. The first circulation unit (R1) circulates the lithium hydroxide-deficient stream (LHR) to the cathode chamber (13), and the lithium hydroxide included in the circulated lithium hydroxide-deficient stream (LHR) may participate in a reaction in the cathode chamber (13) again to contribute to increasing the concentration of lithium hydroxide in the lithium hydroxide-rich stream (LHE).

상기 수산화리튬의 제조시스템은 상기 수산화리튬의 제조시스템의 외부로부터 리튬염 수용액을 제공받아 상기 양극실(12)에 리튬-풍부(lithium-enriched) 스트림(LE)을 제공하는 공급부(30); 및 상기 양극실(12)에서 생성된 양극생성물의 적어도 일부를 상기 공급부(30)로 순환하는 제2 순환부(R2);를 더 포함할 수 있다.The above lithium hydroxide manufacturing system may further include a supply unit (30) that receives a lithium salt aqueous solution from outside the lithium hydroxide manufacturing system and provides a lithium-enriched stream (LE) to the anode chamber (12); and a second circulation unit (R2) that circulates at least a portion of the anode product produced in the anode chamber (12) to the supply unit (30).

상기 공급부(30)는 상기 리튬-풍부 스트림(LE)을 상기 양극실(12)에 제공할 수 있고, 상기 리튬-풍부 스트림(LE)은 외부로부터 상기 공급부(30)로 제공된 리튬염 수용액을 포함할 수 있다. 상기 제2 순환부(R2)는 상기 양극실(12)과 상기 공급부(30)를 연결하여 상기 양극실(12)에서 생성된 양극생성물의 적어도 일부, 구체적으로, 리튬-결핍 스트림(LR)을 상기 공급부(30)로 순환할 수 있고, 상기 공급부(30)와 상기 제2 순환부(R2)가 함께 마련되는 경우 상기 리튬-풍부 스트림(LE)은 외부로부터 상기 공급부(30)로 제공된 리튬염 수용액 및 상기 양극실(12)로부터 순환되는 상기 리튬-결핍 스트림(LR)을 포함할 수 있다.The supply unit (30) can provide the lithium-rich stream (LE) to the anode chamber (12), and the lithium-rich stream (LE) can include a lithium salt aqueous solution provided from the outside to the supply unit (30). The second circulation unit (R2) can connect the anode chamber (12) and the supply unit (30) to circulate at least a portion of the anode product generated in the anode chamber (12), specifically, a lithium-deficient stream (LR), to the supply unit (30), and when the supply unit (30) and the second circulation unit (R2) are provided together, the lithium-rich stream (LE) can include a lithium salt aqueous solution provided from the outside to the supply unit (30) and the lithium-deficient stream (LR) circulated from the anode chamber (12).

상기 리튬-결핍 스트림(LR)은 상기 양극실(12)에서의 반응에 참여하지 않고 잔류하는 미반응 리튬이온, 염소이온(또는 황산이온), 염소가스(또는 산소가스) 및 물을 포함할 수 있다. 상기 제2 순환부(R2)는 상기 리튬-결핍 스트림(LR)을 상기 양극실(12)로 순환하고, 순환된 상기 리튬-결핍 스트림(LR)에 포함된 상기 미반응 리튬이온은 상기 음극실(13)에서의 반응에 다시 참여하여 상기 음극실(13)로 더 많은 양의 리튬이온을 제공함으로써, 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE) 중 수산화리튬의 농도를 높이는데 기여할 수 있다.The lithium-deficient stream (LR) may include unreacted lithium ions, chlorine ions (or sulfate ions), chlorine gas (or oxygen gas), and water that do not participate in the reaction in the anode chamber (12) and remain. The second circulation unit (R2) circulates the lithium-deficient stream (LR) to the anode chamber (12), and the unreacted lithium ions included in the circulated lithium-deficient stream (LR) participate in the reaction in the cathode chamber (13) again to provide a larger amount of lithium ions to the cathode chamber (13), thereby contributing to increasing the concentration of lithium hydroxide in the lithium hydroxide-rich stream (LHE).

도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수산화리튬의 제조시스템을 나타낸다. 도 3을 참고하면, 상기 제2 순환부(R2)는 순환되는 상기 양극생성물에 산(acid)을 가하는 재생부(40)를 더 포함할 수 있다. 상기 재생부(40)는 상기 음극실(13)에서 배출된 상기 리튬-결핍 스트림(LR)을 화학적으로 처리하여 리튬-재생 스트림(LR')으로 전환할 수 있다. 상기 리튬-재생 스트림(LR')은 상기 리튬-결핍 스트림(LR)이 상기 재생부(40)에 의해 순환 및 재사용에 적합한 형태로 화학적으로 처리된 것을 의미한다.FIG. 3 shows a manufacturing system of lithium hydroxide according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the second circulation unit (R2) may further include a regeneration unit (40) that adds acid to the circulated positive electrode product. The regeneration unit (40) may chemically treat the lithium-deficient stream (LR) discharged from the negative electrode chamber (13) and convert it into a lithium-regeneration stream (LR'). The lithium-regeneration stream (LR') means that the lithium-deficient stream (LR) is chemically treated by the regeneration unit (40) into a form suitable for circulation and reuse.

상기 공급부(30)에 의해 제공되는 상기 리튬-풍부 스트림(LE)에 포함된 리튬염이 염화리튬인 경우, 상기 리튬-결핍 스트림(LR)은 상기 양극실(12)에서의 반응 부산물인 OCl-, HOCl, ClO3 -와 같은 염소화합물을 포함할 수 있고, 특히, ClO3 - 성분은 쉽게 제거되지 않고 축적되므로 이러한 성분이 순환하여 상기 리튬-풍부 스트림(LE)에 합류하는 경우 상기 양극실(12)에서의 반응이 저해될 수 있다.When the lithium salt included in the lithium-rich stream (LE) provided by the supply unit (30) is lithium chloride, the lithium-deficient stream (LR) may include chlorine compounds such as OCl - , HOCl, and ClO 3 - , which are reaction by-products in the anode chamber (12), and in particular, since the ClO 3 - component is not easily removed and accumulates, if this component circulates and joins the lithium-rich stream (LE), the reaction in the anode chamber (12) may be inhibited.

상기 재생부(40)는 상기 제2 순환부(R2)는 순환되는 상기 양극생성물의 일부에 산(acid), 바람직하게는, 상기 리튬염과 동일한 음이온을 포함하는 산 수용액, 더 바람직하게는, 염산, 황산, 및/또는 질산 수용액을 가하여 상기 리튬-결핍 스트림(LR)에 포함된 ClO3 - 성분의 농도를 적절히 낮출 수 있다.The above regeneration unit (40) can appropriately lower the concentration of the ClO 3 - component included in the lithium-deficient stream (LR) by adding an acid, preferably an aqueous acid solution containing the same anion as the lithium salt, more preferably an aqueous hydrochloric acid, sulfuric acid, and/or nitric acid solution, to a portion of the circulated positive electrode product in the second circulation unit (R2).

상기 산 수용액의 농도는 ClO3 - 1mol/L을 기준으로 3mol/L 이상, 바람직하게는, 3~6mol/L일 수 있다. 상기 산 수용액의 농도가 ClO3 - 1mol/L을 기준으로 3mol/L 미만이면 ClO3 - 성분의 농도를 필요한 범위, 예를 들어, 초기 농도의 50% 이하, 바람직하게는, 75% 이하로 낮추기 어렵고, 6mol/L 초과이면 ClO3 - 성분의 농도가 실질적으로 약 0ppm로 수렴하므로 경제성, 효율이 저하될 수 있다. 상기 재생부(40)가 상기 리튬-결핍 스트림(LR)에 염산 수용액을 가하는 경우, 상기 염산 수용액의 농도에 따른 상기 리튬-재생 스트림(LR') 중 ClO3 - 성분의 함량(농도)은 아래 표 2와 같다. 표 2를 참고하면, 상기 리튬-재생 스트림(LR') 중 ClO3 - 성분의 함량(농도)은 5,000ppm 이하, 바람직하게는, 1,000ppm 이하, 더 바람직하게는, 10ppm 이하일 수 있다.The concentration of the above acid solution may be 3 mol/L or more, preferably 3 to 6 mol/L, based on ClO 3 - 1 mol/L. If the concentration of the above acid solution is less than 3 mol/L based on ClO 3 - 1 mol/L, it is difficult to lower the concentration of the ClO 3 - component to a required range, for example, 50% or less of the initial concentration, preferably 75% or less, and if it exceeds 6 mol/L, the concentration of the ClO 3 - component substantially converges to about 0 ppm, which may lower the economy and efficiency. When the regeneration unit (40) adds the hydrochloric acid solution to the lithium-deficient stream (LR), the content (concentration) of the ClO 3 - component in the lithium-regeneration stream (LR') according to the concentration of the hydrochloric acid solution is as shown in Table 2 below. Referring to Table 2, the content (concentration) of the ClO 3 - component in the lithium-regeneration stream (LR') may be 5,000 ppm or less, preferably 1,000 ppm or less, more preferably 10 ppm or less.

HCl 농도
(M, mol/L)
HCl concentration
(M, mol/L)
ClO3 -
(ppm)
ClO 3 -
(ppm)
유효염소
(ppm)
Available chlorine
(ppm)
pHpH 비고note
00 12,65912,659 2,5002,500 4.84.8 -- 11 10,01910,019 7878 2.12.1 -- 33 3,4293,429 4141 0.40.4 ClO3 - 75% 감소ClO 3 - 75% reduction 66 00 88 -2-2 ClO3 - 100% 감소ClO 3 - 100% reduction

도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수산화리튬의 제조시스템을 나타낸다. 도 4를 참고하면, 상기 수산화리튬의 제조시스템은 상기 수산화리튬 중 일부를 상기 공급부(30)로 순환하는 제3 순환부(R3)를 더 포함할 수 있다. 상기 제3 순환부(R3)에 의해 상기 공급부(30)로 순환되는 상기 수산화리튬은 상기 결정화부(20)에서 생성된 고체상 수산화리튬 중 일부이고/일부이거나 상기 결정화부(20)의 상부에 체류하는 상등액 중 일부로부터 유래한 것일 수 있다.Figure 4 shows a lithium hydroxide manufacturing system according to another embodiment of the present invention. Referring to Figure 4, the lithium hydroxide manufacturing system may further include a third circulation unit (R3) for circulating some of the lithium hydroxide to the supply unit (30). The lithium hydroxide circulated to the supply unit (30) by the third circulation unit (R3) may be some of the solid lithium hydroxide produced in the crystallization unit (20) and/or may be derived from some of the supernatant remaining in the upper portion of the crystallization unit (20).

상기 공급부(30)에는 외부로부터 제공된 리튬염 수용액을 포함하는 상기 리튬-풍부 스트림(LE)이 체류할 수 있고, 경우에 따라, 상기 양극실(12)로부터 순환되는 상기 리튬-결핍 스트림(LR)이 혼재하여 체류할 수 있다.In the above supply unit (30), the lithium-rich stream (LE) containing the lithium salt solution provided from the outside can be stored, and in some cases, the lithium-deficient stream (LR) circulated from the anode chamber (12) can be stored mixed therein.

상기 공급부(30)에 체류하는 상기 리튬-풍부 스트림(LE)과 상기 리튬-결핍 스트림(LR)은 리튬을 비롯해 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 나트륨(Na), 칼륨(K)과 같은 다양한 염류를 불순물로 포함한다. 이러한 불순물은 상기 전기분해부(10)에서의 반응을 저해할 수 있으므로 상기 공급부(30)에서도 그 농도를 낮추어 실질적으로 제거할 필요가 있다. 일반적으로 수산화리튬은 상기 공급부(30)에 체류하는 물질 중 상기 불순물을 응집, 제거하는 응집제로 작용할 수 있으나, 이러한 응집제를 상기 수산화리튬의 제조시스템의 외부에서 별도로 구득, 적용하는 경우 경제성의 측면에서 불리할 수 있으므로, 상기 제3 순환부(R3)가 상기 수산화리튬 중 일부를 상기 공급부(30) 및/또는 외부로부터 상기 공급부(30)로 제공되는 상기 리튬염 수용액으로 순환하여 상기 공급부(30)에 체류하는 상기 불순물을 적절히 응집되도록 하고, 필요 시, 응집된 불순물을 필터링하여 제거할 수 있는 수단을 구비함으로써, 경제성을 확보함과 동시에 상기 양극실(12)로 제공되는 상기 리튬-풍부 스트림(LE)의 순도와 그에 따른 상기 전기분해부(10)에서의 반응 효율을 높일 수 있다.The lithium-rich stream (LE) and the lithium-deficient stream (LR) residing in the supply unit (30) contain various salts such as lithium, magnesium (Mg), calcium (Ca), sodium (Na), and potassium (K) as impurities. Since these impurities can inhibit the reaction in the electrolysis unit (10), it is necessary to lower the concentration and substantially remove them in the supply unit (30). In general, lithium hydroxide can act as a coagulant that coagulates and removes the impurities among the substances remaining in the supply unit (30), but if such a coagulant is separately obtained and applied from outside the lithium hydroxide manufacturing system, it may be disadvantageous in terms of economic efficiency. Therefore, the third circulation unit (R3) circulates some of the lithium hydroxide into the lithium salt aqueous solution provided from the supply unit (30) and/or the outside to the supply unit (30) to appropriately coagulate the impurities remaining in the supply unit (30), and, if necessary, provides a means for filtering and removing the coagulated impurities, thereby ensuring economic efficiency and at the same time increasing the purity of the lithium-rich stream (LE) provided to the anode chamber (12) and the reaction efficiency in the electrolysis unit (10) accordingly.

도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수산화리튬의 제조시스템을 나타낸다. 도 5를 참고하면, 상기 결정화부(20)는, 상기 음극생성물을 수용하는 버퍼조(21), 및 상기 버퍼조(21)에서 오버플로우된 상기 음극생성물 중 일부를 냉각하여 고체상 수산화리튬을 생성하는 결정화조(22)를 포함할 수 있다.Figure 5 shows a system for manufacturing lithium hydroxide according to another embodiment of the present invention. Referring to Figure 5, the crystallization unit (20) may include a buffer tank (21) that accommodates the cathode product, and a crystallization tank (22) that cools a portion of the cathode product overflowing from the buffer tank (21) to produce solid lithium hydroxide.

상기 음극실(13)에서 배출되는 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE)은 상기 버퍼조(21)로 이송되고, 상기 버퍼조(21)에서 오버플로우된 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE)은 상기 결정화조(22)로 이송될 수 있다. 상기 결정화조(22)에서 결정화된 고체상 수산화리튬을 제외한 상기 수산화리튬-결핍 스트림(LHR)은 상기 버퍼조(21)를 거쳐 상기 제1 순환부(R1)를 통해 상기 음극실(13)로 순환되고/되거나, 상기 버퍼조(21)를 거치지 않고 상기 음극실(13)로 직접 순환될 수 있다.The lithium hydroxide-rich stream (LHE) discharged from the cathode chamber (13) is transferred to the buffer tank (21), and the lithium hydroxide-rich stream (LHE) overflowing from the buffer tank (21) can be transferred to the crystallization tank (22). The lithium hydroxide-deficient stream (LHR), excluding the solid lithium hydroxide crystallized in the crystallization tank (22), can be circulated to the cathode chamber (13) through the first circulation section (R1) via the buffer tank (21), and/or can be circulated directly to the cathode chamber (13) without passing through the buffer tank (21).

상기 버퍼조(21)의 온도는 상기 전기분해부(10)의 온도 이하, 바람직하게는, 상기 전기분해부(10)의 온도 이하 및 상기 결정화조(22)의 온도 이상의 범위로 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 전기분해부(10)의 온도가 80℃이고, 상기 결정화조(22)의 온도가 60℃인 경우, 상기 버퍼조(21)의 온도는 60~80℃, 바람직하게는, 70~80℃, 더 바람직하게는, 상기 버퍼조(21)에서 수산화리튬이 임의로 결정화되는 것을 방지하기 위해 상기 전기분해부(10)의 온도와 동일한 80℃로 조절될 수 있다. 상기 결정화조(22)의 제어, 그에 따른 작용효과 등은 상기 결정화부(20)에 관하여 전술한 것과 같다. 필요에 따라, 상기 버퍼조(21) 및 상기 결정화조(22)는 각각 직렬 연결 및/또는 병렬 연결된 2 이상의 단위조(unit vessel)를 포함할 수도 있다.The temperature of the buffer tank (21) may be controlled to be equal to or lower than the temperature of the electrolysis unit (10), preferably, within a range equal to or lower than the temperature of the electrolysis unit (10) and higher than the temperature of the crystallization tank (22). For example, when the temperature of the electrolysis unit (10) is 80°C and the temperature of the crystallization tank (22) is 60°C, the temperature of the buffer tank (21) may be controlled to be 60 to 80°C, preferably, 70 to 80°C, and more preferably, 80°C, which is the same as the temperature of the electrolysis unit (10), to prevent lithium hydroxide from being randomly crystallized in the buffer tank (21). The control of the crystallization tank (22), the resulting operational effects, etc., are the same as those described above with respect to the crystallization unit (20). If necessary, the buffer tank (21) and the crystallization tank (22) may each include two or more unit vessels connected in series and/or in parallel.

한편, 상기 결정화조(22)에서 결정화된 고체상 수산화리튬을 제외한 상기 수산화리튬-결핍 스트림(LHR)은 상기 버퍼조(21)를 거쳐 상기 제1 순환부(R1)를 통해 상기 음극실(13)로 순환되는데, 상기 결정화조(22) 및 상기 전기분해부(10)의 온도는, 예를 들어, 각각 60℃ 및 80℃로 차이가 있으므로, 상기 결정화조(22)로부터 상기 버퍼조(21)를 거쳐 상기 제1 순환부(R1)를 통해 상기 음극실(13)로 순환되는 상기 수산화리튬-결핍 스트림(LHR)의 온도를 상기 전기분해부의 온도로 적절히 높여 화학적인 충격을 완충할 필요가 있다. 이에 대해, 상기 수산화리튬의 제조시스템은 상기 전기분해부(10)의 상기 양극실(12) 및 상기 음극실(13)에서 각각 상기 리튬-결핍 스트림(LR) 및 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE) 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제1 순환부(R1)를 통해 상기 음극실(13)로 순환되는 상기 수산화리튬-결핍 스트림(LHR)의 온도를 높이기 위한 열교환부(미도시), 바람직하게는, 수랭식 열교환부를 더 포함할 수 있다. 상기 열교환부는 상기 별도의 열원, 에너지 등을 이용하지 않고 상기 수산화리튬의 제조시스템 중 일부를 따라 생성된 소정의 스트림을 이용하여 상기 수산화리튬-결핍 스트림(LHR)의 온도를 높일 수 있으므로, 에너지효율과 경제성을 개선하는데 기여할 수 있다.Meanwhile, the lithium hydroxide-deficient stream (LHR) excluding the solid lithium hydroxide crystallized in the crystallization tank (22) is circulated to the cathode chamber (13) through the buffer tank (21) and the first circulation unit (R1), and since the temperatures of the crystallization tank (22) and the electrolysis unit (10) are, for example, 60°C and 80°C, respectively, it is necessary to appropriately increase the temperature of the lithium hydroxide-deficient stream (LHR) circulated to the cathode chamber (13) through the buffer tank (21) from the crystallization tank (22) and the first circulation unit (R1) to the temperature of the electrolysis unit in order to buffer the chemical shock. In this regard, the lithium hydroxide manufacturing system may further include a heat exchanger (not shown), preferably a water-cooled heat exchanger, for increasing the temperature of the lithium hydroxide-deficient stream (LHR) circulated to the cathode chamber (13) through the first circulation unit (R1) using at least one of the lithium-deficient stream (LR) and the lithium hydroxide-rich stream (LHE) in the anode chamber (12) and the cathode chamber (13) of the electrolysis unit (10). Since the heat exchanger can increase the temperature of the lithium hydroxide-deficient stream (LHR) using a predetermined stream generated along a part of the lithium hydroxide manufacturing system without using a separate heat source, energy, etc., it can contribute to improving energy efficiency and economic feasibility.

본 발명의 다른 일 측면은, 상기 수산화리튬의 제조시스템을 이용한 수산화리튬의 제조방법에 있어서, (a) 상기 양극실(12)로 리튬-풍부 스트림(LE)을 공급하고, 상기 음극실(13)로 물 및 수산화리튬-결핍(lithium hydroxide-reduced) 스트림 중 적어도 하나를 공급하는 단계; (b) 상기 전기분해부(10)에 전류를 인가하여 상기 양극실(12)에서 리튬-결핍(lithium-reduced) 스트림(LR)을 얻고, 상기 음극실(13)에서 수산화리튬-풍부(lithium hydroxide-enriched) 스트림(LHE)을 얻는 단계; (c) 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE)을 상기 결정화부(20)로 이송하는 단계; 및 (d) 상기 결정화부(20)를 냉각하여 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE) 중 일부를 결정화하여 고체상 수산화리튬을 생성하는 단계;를 포함하는 수산화리튬의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention is a method for manufacturing lithium hydroxide using the lithium hydroxide manufacturing system, comprising: (a) a step of supplying a lithium-rich stream (LE) to the anode chamber (12) and supplying at least one of water and a lithium hydroxide-reduced stream to the cathode chamber (13); (b) a step of applying current to the electrolysis unit (10) to obtain a lithium-reduced stream (LR) from the anode chamber (12) and a lithium hydroxide-enriched stream (LHE) from the cathode chamber (13); (c) a step of transporting the lithium hydroxide-enriched stream (LHE) to the crystallization unit (20); and (d) a step of cooling the crystallization unit (20) to crystallize a portion of the lithium hydroxide-rich stream (LHE) to produce solid lithium hydroxide.

상기 (a) 단계에서 상기 양극실(12)로 리튬-풍부 스트림(LE)을 공급하고, 상기 음극실(13)로 물 및 수산화리튬-결핍(lithium hydroxide-reduced) 스트림 중 적어도 하나를 공급할 수 있다. 상기 리튬-풍부 스트림(LE)은 리튬염 수용액을 포함할 수 있고, 상기 리튬염으로는 염화리튬, 황산리튬, 탄산리튬 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the step (a), a lithium-rich stream (LE) may be supplied to the anode chamber (12), and at least one of water and a lithium hydroxide-reduced stream may be supplied to the cathode chamber (13). The lithium-rich stream (LE) may include a lithium salt aqueous solution, and the lithium salt may include, but is not limited to, lithium chloride, lithium sulfate, lithium carbonate, etc.

상기 (b) 단계에서 상기 전기분해부(10)에 전류를 인가하여 상기 양극실(12)에서 리튬-결핍(lithium-reduced) 스트림(LR)을 얻고, 상기 음극실(13)에서 수산화리튬-풍부(lithium hydroxide-enriched) 스트림(LHE)을 얻을 수 있다. 상기 전기분해부(10)에 전류를 인가하면, 상기 양극실(12) 및 상기 음극실(13)에서는 상기 표 1과 같은 반응이 일어날 수 있다.In the step (b) above, by applying current to the electrolysis unit (10), a lithium-reduced stream (LR) can be obtained from the anode chamber (12), and a lithium hydroxide-enriched stream (LHE) can be obtained from the cathode chamber (13). When current is applied to the electrolysis unit (10), a reaction as shown in Table 1 above can occur in the anode chamber (12) and the cathode chamber (13).

상기 리튬-결핍 스트림(LR)은 상기 리튬-풍부 스트림(LE)의 전기분해 후 잔류하는 물질 스트림, 구체적으로, 상기 양극실(12)에서 생성된 리튬이온 중 상기 격막(11)을 투과하여 상기 음극실(13)로 이동한 것을 제외한 물질 스트림으로, 미반응 리튬이온, 염소가스(또는 산소가스), 염소이온(또는 황산이온) 및 물을 포함할 수 있다.The lithium-deficient stream (LR) above is a material stream remaining after electrolysis of the lithium-rich stream (LE), specifically, a material stream excluding lithium ions generated in the anode chamber (12) that have passed through the membrane (11) and moved to the cathode chamber (13), and may include unreacted lithium ions, chlorine gas (or oxygen gas), chlorine ions (or sulfate ions), and water.

상기 음극실(13)에서 생성된 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE)은 상기 양극실(12)로부터 이동해 온 리튬이온과 수산화이온이 반응하여 생성된 수산화리튬을 포함할 수 있고, 수산화리튬은 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE) 중에 용해된 상태로 존재할 수 있다.The lithium hydroxide-rich stream (LHE) generated in the cathode chamber (13) may include lithium hydroxide generated by the reaction of lithium ions and hydroxide ions moving from the anode chamber (12), and the lithium hydroxide may exist in a dissolved state in the lithium hydroxide-rich stream (LHE).

상기 전기분해부(10)의 온도는 70~100℃, 바람직하게는, 75~90℃, 더 바람직하게는, 80~90℃일 수 있다. 상기 전기분해부(10)의 온도가 70℃ 미만이면 반응효율이 저하될 수 있고, 100℃ 초과이면 반응이 불안정하거나 에너지효율이 저하될 수 있다.The temperature of the electrolysis unit (10) may be 70 to 100°C, preferably 75 to 90°C, and more preferably 80 to 90°C. If the temperature of the electrolysis unit (10) is less than 70°C, the reaction efficiency may be reduced, and if it is more than 100°C, the reaction may be unstable or the energy efficiency may be reduced.

상기 (c) 단계에서 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE)을 상기 결정화부(20)로 이송하고, 상기 (d) 단계에서 상기 결정화부(20)를 냉각하여 상기 수산화리튬-풍부 스트림(LHE) 중 일부를 결정화하여 불순물의 농도가 0.1g/L 이하인 고체상 수산화리튬을 생성할 수 있다. 상기 리튬-결핍 스트림(LR)의 이송, 순환, 상기 결정화부(20)의 냉각 등은 전술한 것과 같고, 상기 전기분해부(10) 및 상기 결정화부(20)의 온도를 각각 80℃ 및 60℃로 조절하여 얻은 고체상 수산화리튬의 성분을 분석한 결과를 아래 표 3에 나타내었다.In the step (c) above, the lithium hydroxide-rich stream (LHE) is transferred to the crystallization unit (20), and in the step (d) above, the crystallization unit (20) is cooled to crystallize a portion of the lithium hydroxide-rich stream (LHE) to produce solid lithium hydroxide having an impurity concentration of 0.1 g/L or less. The transfer, circulation, and cooling of the crystallization unit (20) of the lithium-deficient stream (LR) are as described above, and the results of analyzing the components of the solid lithium hydroxide obtained by controlling the temperatures of the electrolysis unit (10) and the crystallization unit (20) to 80°C and 60°C, respectively, are shown in Table 3 below.

구분division 리튬(Li)Lithium (Li) 나트륨(Na)Sodium (Na) 칼륨(K)Potassium (K) 농도(g/L)Concentration (g/L) 25.4625.46 -- 0.070.07

그 외 상기 수산화리튬의 제조방법은 상기 수산화리튬의 제조시스템을 이용한 것을 특징으로 하므로, 상기 수산화리튬의 제조방법을 구성하는 물질의 이송, 순환, 반응, 및 각 변수의 제어 등은 상기 수산화리튬의 제조시스템에 관하여 전술한 것과 같다.In addition, since the above method for manufacturing lithium hydroxide is characterized by using the above lithium hydroxide manufacturing system, the transport, circulation, reaction, and control of each variable of the materials constituting the above lithium hydroxide manufacturing method are the same as those described above with respect to the lithium hydroxide manufacturing system.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential characteristics of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single component may be implemented in a distributed manner, and likewise, components described as distributed may be implemented in a combined manner.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims set forth below, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

10: 전기분해부 11: 격막
12: 양극실 13: 음극실
20: 결정화부 21: 버퍼조
22: 결정화조 30: 공급부
40: 재생부 R1: 제1 순환부
R2: 제2 순환부 R3: 제3 순환부
LE: 리튬-풍부 스트림 LR: 리튬-결핍 스트림
LR': 리튬-재생 스트림 LHE: 수산화리튬-풍부 스트림
LHR: 수산화리튬-결핍 스트림
10: Electrolysis section 11: Diaphragm
12: Anode chamber 13: Cathode chamber
20: Crystallization section 21: Buffer section
22: Crystallization tank 30: Supply section
40: Regeneration section R1: 1st circulation section
R2: Second circulation R3: Third circulation
LE: Lithium-rich stream LR: Lithium-deficient stream
LR': Lithium-regeneration stream LHE: Lithium hydroxide-rich stream
LHR: Lithium hydroxide-deficient stream

Claims (11)

격막에 의해 구획된 양극실 및 음극실을 포함하는 전기분해부; 및
상기 음극실에서 생성된 음극생성물의 일부를 냉각하여 고체상 수산화리튬을 생성하는 결정화부;를 포함하는 수산화리튬의 제조시스템.
An electrolysis unit including an anode chamber and a cathode chamber separated by a diaphragm; and
A lithium hydroxide manufacturing system including a crystallization unit that cools a portion of the cathode product generated in the cathode chamber to generate solid lithium hydroxide.
제1항에 있어서,
상기 전기분해부의 온도는 70~100℃인 수산화리튬의 제조시스템.
In the first paragraph,
A lithium hydroxide manufacturing system in which the temperature of the above electrolysis unit is 70 to 100°C.
제1항에 있어서,
상기 결정화부의 온도는 60℃ 이하인 수산화리튬의 제조시스템.
In the first paragraph,
A lithium hydroxide manufacturing system wherein the temperature of the crystallization section is 60°C or less.
제1항에 있어서,
상기 냉각은 단계적으로 이루어지는 수산화리튬의 제조시스템.
In the first paragraph,
A lithium hydroxide manufacturing system in which the above cooling is performed in stages.
제1항에 있어서,
상기 음극생성물의 잔부를 상기 결정화부로부터 상기 음극실로 순환하는 제1 순환부를 더 포함하는 수산화리튬의 제조시스템.
In the first paragraph,
A lithium hydroxide manufacturing system further comprising a first circulation section for circulating the remainder of the cathode product from the crystallization section to the cathode chamber.
제1항에 있어서,
외부로부터 리튬염 수용액을 제공받아 상기 양극실에 리튬-풍부(lithium-enriched) 스트림을 제공하는 공급부; 및
상기 양극실에서 생성된 양극생성물의 적어도 일부를 상기 공급부로 순환하는 제2 순환부;를 더 포함하는 수산화리튬의 제조시스템.
In the first paragraph,
A supply unit that receives a lithium salt solution from the outside and provides a lithium-enriched stream to the anode chamber; and
A lithium hydroxide manufacturing system further comprising a second circulation unit for circulating at least a portion of the anode product generated in the anode chamber to the supply unit.
제6항에 있어서,
상기 제2 순환부는 순환되는 상기 양극생성물에 산(acid)을 가하는 재생부를 더 포함하는 수산화리튬의 제조시스템.
In Article 6,
A lithium hydroxide manufacturing system, wherein the second circulation section further includes a regeneration section that adds acid to the circulated positive electrode product.
제7항에 있어서,
상기 산의 농도는 ClO3 - 1mol/L을 기준으로 3mol/L 이상인 수산화리튬의 제조시스템.
In Article 7,
A lithium hydroxide manufacturing system having a concentration of the above acid of 3 mol/L or more based on ClO 3 - 1 mol/L.
제6항에 있어서,
상기 수산화리튬 중 일부를 상기 공급부 및 상기 리튬염 수용액 중 적어도 하나로 순환하는 제3 순환부를 더 포함하는 수산화리튬의 제조시스템.
In Article 6,
A system for producing lithium hydroxide further comprising a third circulation section for circulating some of the lithium hydroxide to at least one of the supply section and the lithium salt aqueous solution.
제1항에 있어서,
상기 결정화부는,
상기 음극생성물을 수용하는 버퍼조, 및 상기 버퍼조에서 오버플로우된 상기 음극생성물 중 일부를 냉각하여 고체상 수산화리튬을 생성하는 결정화조를 포함하는 수산화리튬의 제조시스템.
In the first paragraph,
The above crystallization unit,
A lithium hydroxide manufacturing system comprising a buffer tank for accommodating the above cathode product, and a crystallization tank for cooling a portion of the above cathode product overflowing from the buffer tank to produce solid lithium hydroxide.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 수산화리튬의 제조시스템을 이용한 수산화리튬의 제조방법에 있어서,
(a) 상기 양극실로 리튬-풍부 스트림을 공급하고, 상기 음극실로 물 및 수산화리튬-결핍(lithium hydroxide-reduced) 스트림 중 적어도 하나를 공급하는 단계;
(b) 상기 전기분해부에 전류를 인가하여 상기 양극실에서 리튬-결핍(lithium-reduced) 스트림을 얻고, 상기 음극실에서 수산화리튬-풍부(lithium hydroxide-enriched) 스트림을 얻는 단계;
(c) 상기 수산화리튬-풍부 스트림을 상기 결정화부로 이송하는 단계; 및
(d) 상기 결정화부를 냉각하여 상기 수산화리튬-풍부 스트림 중 일부를 결정화하여 고체상 수산화리튬을 생성하는 단계;를 포함하는 수산화리튬의 제조방법.
In a method for manufacturing lithium hydroxide using a lithium hydroxide manufacturing system according to any one of claims 1 to 10,
(a) supplying a lithium-rich stream to the anode chamber and supplying at least one of water and a lithium hydroxide-reduced stream to the cathode chamber;
(b) a step of applying current to the electrolysis unit to obtain a lithium-reduced stream from the anode chamber and a lithium hydroxide-enriched stream from the cathode chamber;
(c) transporting the lithium hydroxide-rich stream to the crystallization unit; and
(d) a step of cooling the crystallization unit to crystallize a portion of the lithium hydroxide-rich stream to produce solid lithium hydroxide; A method for producing lithium hydroxide, comprising:
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