KR20250001168A - Method for recovering lithium - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬이 함유된 폐자원을 건식 용융제련방식으로 유가금속을 효율적으로 회수하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 분쇄 또는 파쇄된 폐자원에 Ca 화합물이 포함된 플럭스와 보론 성분을 혼합하고 이를 1300℃ 이상의 고온에서 용융시킨 후 이로부터 휘발되는 리튬-보론계 화합물을 수득하는 리튬 회수 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for efficiently recovering valuable metals from waste resources containing lithium by a dry smelting method, and more specifically, to a method for recovering lithium by mixing a flux containing a Ca compound and a boron component with pulverized or crushed waste resources, melting the mixture at a high temperature of 1300°C or higher, and then obtaining a lithium-boron compound volatilized therefrom.
Description
본 발명은 리튬이 함유된 폐자원을 건식 용융제련방식으로 유가금속을 효율적으로 회수하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 분쇄 또는 파쇄된 폐자원에 Ca 화합물이 포함된 플럭스와 보론 성분을 혼합하고 이를 1300℃ 이상의 고온에서 용융시킨 후 이로부터 휘발되는 리튬-보론계 화합물을 수득하는 리튬 회수 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for efficiently recovering valuable metals from waste resources containing lithium by a dry smelting method, and more specifically, to a method for recovering lithium by mixing a flux containing a Ca compound and a boron component with pulverized or crushed waste resources, melting the mixture at a high temperature of 1300°C or higher, and then obtaining a lithium-boron compound volatilized therefrom.
리튬이 함유된 폐자원의 대표적인 예가 폐전지이다. 폐전지는 우리가 일상적으로 사용하는 핸드폰, 노트북, 카세트 완구, 비상용 전원 등 각종 전자기기의 전원으로 사용되는 일차전지 또는 이차전지가 수명을 다하여 발생한다. A typical example of waste resources containing lithium is waste batteries. Waste batteries are generated when primary or secondary batteries, which are used as power sources for various electronic devices we use on a daily basis, such as cell phones, laptops, cassette toys, and emergency power supplies, reach the end of their lifespan.
이와 같은 폐전지에는 유해금속인 납, 카드뮴, 수은 등이 포함되어 있고 또한 KOH, NH4Cl, 리튬염, H2SO4 및 유기용액 등이 전해액으로 사용되고 있어 환경에 미치는 영향을 무시할 수 없으며, 또한 은, 코발트, 니켈, 아연, 망간, 리튬 등의 유가금속이 포함되어 있으므로 환경을 보호하고 유한한 자원을 효율적으로 사용하기 위해서 폐전지의 재활용이 요구되고 있다.These waste batteries contain hazardous metals such as lead, cadmium, and mercury, and also use KOH, NH4Cl, lithium salts, H2SO4, and organic solutions as electrolytes, so their impact on the environment cannot be ignored. In addition, they contain valuable metals such as silver, cobalt, nickel, zinc, manganese, and lithium, so recycling of waste batteries is required to protect the environment and efficiently use limited resources.
특히 리튬이차전지(Lithium-Ion battery, LiB)의 수요는 1990년대 이후로 휴대용 전자기기 시장과 함께 증가되어 왔으며, 최근 전기 자동차 시장의 급격한 확장에 따라 전 세계적으로 수요가 더욱 급증하였다. In particular, demand for lithium-ion batteries (LiBs) has been increasing along with the portable electronic device market since the 1990s, and demand has recently increased further worldwide due to the rapid expansion of the electric vehicle market.
이로 인해 조만간 천연자원으로부터 공급받을 수 있는 리튬량보다 훨씬 앞설 것이며, 리튬 자원 수급의 불안정을 초래할 수 있다. 나아가 지속적으로 축적되는 폐전지도 환경적으로 큰 문제를 야기할 수 있다. This will soon far outstrip the amount of lithium that can be supplied from natural resources, which could lead to instability in the supply and demand of lithium resources. Furthermore, the continued accumulation of waste batteries could also cause major environmental problems.
이러한 문제를 해결하기 위해, 사용된 리튬이차전지의 재활용은 매우 중요하다. 즉 사용가능한 물질을 폐전지로부터 회수할 수 있다면, 땅속의 제한된 공급원으로부터 원재료를 덜 추출해도 될 것이다. 또한 폐 리튬이차전지가 재활용될 수 있다면, 광석을 채굴하고 가공하는 것에 의해 야기되는 심각하게 부정적인 환경 영향을 피할 수 있다.To solve these problems, recycling of used lithium secondary batteries is very important. That is, if usable materials can be recovered from used batteries, less raw materials need to be extracted from limited underground sources. Also, if used lithium secondary batteries can be recycled, the serious negative environmental impact caused by mining and processing ores can be avoided.
폐전지에 포함된 유가금속을 회수하는 방법으로는 습식제련(hydrometallurgy)과 건식제련(pyrometallurgy)이 있다.Methods for recovering valuable metals contained in spent batteries include hydrometallurgy and pyrometallurgy.
습식제련은 양극재(cathode materials)를 회수하기 위해 전처리(pretreatment) 후 침출 및 선택적 침전, 이온 교환 및 유가금속을 추출하기 위해 용매 추출과 같은 추가 정제 및 회수 기술을 포함한다(특허문헌 1 참조). 일부 습식제련 공정은 양극활물질의 높은 원자가 상태(high valance state)와 유기물 바인더의 강한 결합력으로 인해 상대적으로 긴 침출 시간과 낮은 침출 효율의 단점이 있다. 또한, 고농도의 산성 용액 및 환원제의 방대한 사용과 복합적인 공정단계는 상당한 폐수를 발생하며, 이는 침출 공정 동안 폐수 및 유해 가스 배출로 인한 2차 오염을 일으킬 수 있다. 특히 리튬은 이러한 분리 및 정제 단계 공정 중 분산될 수 있으며, 이는 낮은 리튬 회수율로 이어질 수 있다. Wet metallurgy involves additional purification and recovery technologies such as pretreatment, leaching and selective precipitation, ion exchange, and solvent extraction to extract valuable metals after pretreatment to recover cathode materials (see Patent Document 1). Some wet metallurgy processes have the disadvantages of relatively long leaching times and low leaching efficiencies due to the high valence state of cathode active materials and the strong binding force of organic binders. In addition, the extensive use of high-concentration acid solutions and reducing agents and the complex process steps generate considerable wastewater, which can cause secondary pollution due to wastewater and hazardous gas emissions during the leaching process. In particular, lithium can be dispersed during these separation and purification steps, which can lead to low lithium recovery rates.
이러한 단점들을 극복하고 금속을 추출하고 정제하기 위하여 건식제련 방법이 사용될 수 있다(특허문헌 2~5 참조). 건식제련 재활용 공정은 빠른 화학반응에 의해 대량 처리가 가능하여 처리 및 공정비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 또한, 공급 재료가 상대적으로 유연하고 공정이 간단하며, 광재(dross)가 환경에 미치는 영향 또한 미미한 수준이다. 용용로에 혼합폐전지를 분류과정을 거치지 않고 바로 장입을 하여 처리하기 때문에, 특히 리튬전지 처리시 화재 및 폭발 위험 등의 문제를 해결할 수도 있으며, 습식공정 중 파쇄과정에서의 불활성 분위기 조성 등의 고려가 필요 없는 특징이 있다. To overcome these shortcomings and extract and refine metals, a dry refining method can be used (see Patent Documents 2 to 5). The dry refining recycling process has the advantage of being able to process large quantities through rapid chemical reactions, thereby reducing processing and process costs. In addition, the supply materials are relatively flexible, the process is simple, and the impact of dross on the environment is also minimal. Since mixed waste batteries are directly charged into the melting furnace without going through a sorting process, problems such as fire and explosion risks, especially when processing lithium batteries, can be solved, and there is no need to consider creating an inert atmosphere during the crushing process in the wet process.
하지만 상기 건식제련 공정으로는 회수되는 금속물의 순도가 낮으며, 고부가가치의 금속을 회수하는데는 한계가 있다. 처리과정에서 발생되는 배가스 처리가 필요한 단점도 있다. 특히 리튬은 다른 귀금속들과는 달리 저가의 금속들과 함께 슬래그에 흡수되기 때문에 리튬을 효과적으로 회수하기 위해서는 추가 공정이 필요한 문제도 있다.However, the purity of the recovered metal is low through the above dry smelting process, and there is a limit to recovering high value-added metals. There is also a disadvantage in that the exhaust gas generated during the processing process needs to be treated. In particular, lithium, unlike other precious metals, is absorbed into the slag along with low-priced metals, so there is also the problem that an additional process is needed to effectively recover lithium.
더구나 리튬계 전지의 재활용에 대한 대부분의 연구 결과는 Co, Ni, Cu의 분리회수에 초점이 맞추어져 있는 실정이며, 현재 Li에 대해서는 미미한 편이다.Moreover, most research results on recycling of lithium-based batteries are focused on the separation and recovery of Co, Ni, and Cu, and currently, there is little research on Li.
Li은 높은 비용량(3.86 Ahg-1)과 극도로 낮은 전극 전위(표준 수소 전극 대비 -3.04 V)를 가지고 있어 고전압/고에너지 배터리에 이상적인 양극 소재(cathode material)로 사용되고 있으므로, 매우 중요한 희소 금속이라 할 수 있다.Li is an ideal cathode material for high-voltage/high-energy batteries due to its high specific capacity (3.86 Ahg -1 ) and extremely low electrode potential (-3.04 V vs. standard hydrogen electrode), making it a very important rare metal.
따라서 높은 비율의 중금속과 독성 전해질을 포함하고 있는 폐전지로부터 유가금속 중에서 리튬을 보다 효율적으로 추출하고 분리하기 위해서 획기적인 재활용 프로세스를 개발하는 것이 중요하다.Therefore, it is important to develop a groundbreaking recycling process to more efficiently extract and separate lithium among valuable metals from spent batteries containing high proportions of heavy metals and toxic electrolytes.
본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 리튬이 함유된 폐자원의 재활용에 있어 건식 용융제련방식을 도입함으로써, 기존의 방법에 비해 공정이 간단하고 처리속도가 빠르면서도 친환경적이고 공정면에서도 리튬을 효율적으로 회수할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and by introducing a dry smelting method for recycling waste resources containing lithium, it is intended to provide a method that is simple in process, fast in processing speed, environmentally friendly, and efficient in terms of process for recovering lithium compared to existing methods.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 리튬을 회수하는 방법에 있어서, 리튬이 함유된 폐자원을 분쇄 또는 파쇄하는 전처리 단계(1); 상기 처리된 폐자원에 Ca 화합물이 포함된 플럭스(flux)와 보론 성분을 혼합하는 단계(2); 상기 혼합물을 가열로에 장입시켜 1,300℃ 이상의 고온에서 용융시키는 단계(3); 및 상기 용융된 슬래그로부터 휘발되는 리튬-보론계 화합물을 공냉하여 먼지 형태로 수득하는 단계(4);를 포함한다.In order to solve the above problem, the present invention provides a method for recovering lithium, comprising: a pretreatment step (1) of crushing or pulverizing waste resources containing lithium; a step (2) of mixing flux containing a Ca compound and a boron component with the treated waste resources; a step (3) of charging the mixture into a heating furnace and melting it at a high temperature of 1,300°C or higher; and a step (4) of obtaining a lithium-boron compound volatilized from the molten slag in the form of dust by air-cooling.
상기 보론 성분을 플럭스와 함께 혼합하지 않고 용융시키는 단계(3) 이후에 첨가할 수 있다.The above boron component can be added after the step (3) of melting without mixing it with the flux.
상기 폐자원은 폐리튬전지인 것을 포함한다.The above waste resources include waste lithium batteries.
상기 플럭스는 Ca 화합물과 함께 SiO2, FeO, MnO 및 Al2O3 중 적어도 어느 하나를 더 포함한다.The above flux further comprises at least one of SiO2, FeO, MnO and Al2O3 together with a Ca compound.
상기 보론 성분은 붕사(Borax), 붕산염(Borate), 붕산(Boric acid, H3BO3), 무수붕산(Boric anhydride, B2O3), 붕산에스테르(Ester of boric acid), 붕소화물(boride), 붕소화마그네슘(Magnesium boride), 붕소화수소(hydrogen boride), 수소화붕소(borane) 중 어느 하나를 포함한다.The above boron component includes any one of borax, borate, boric acid (H3BO3), boric anhydride (B2O3), ester of boric acid, boride, magnesium boride, hydrogen boride, and borane.
상기 용융단계의 온도는 1300℃ 내지 1,800℃에서 수행된다.The temperature of the above melting step is performed at 1,300°C to 1,800°C.
상기 리튬-보론계 화합물은 LiBO2, LiB3O5, Li2B4O7, Li2B8O13, Li3BO3, Li4B2O5, Li6B4O9, Li3B7O12, Li3B11O18 중 어느 하나 이상인 것을 포함한다.The above lithium-boron compound includes at least one of LiBO2, LiB3O5, Li2B4O7, Li2B8O13, Li3BO3, Li4B2O5, Li6B4O9, Li3B7O12, and Li3B11O18.
상기 리튬 회수 방법에 따라 리튬을 회수하는 장치를 제공한다.A device for recovering lithium according to the above lithium recovery method is provided.
상술한 바와 같이 본 발명은 건식제련 재활용 공정을 이용하는 것이므로 폐수 및 환경오염 물질의 배출이 없고, 빠른 화학반응에 의해 대량 처리가 가능하여 처리 및 공정비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. As described above, since the present invention utilizes a dry smelting recycling process, there is no discharge of wastewater and environmental pollutants, and mass processing is possible through a rapid chemical reaction, thereby having the advantage of reducing processing and process costs.
또한 본 발명은 기존의 방식으로 리튬이 함유된 폐자원을 건식용융 환원하면, 리튬 산화물의 높은 휘발점으로 인해 리튬 먼지(Li dust)의 수득율이 낮아지는 문제가 발생하였지만, H3BO3, B2O3 등 보론계 휘발제를 사용하면 LiBO2, LiB3O5, Li2B4O7, Li2B8O13, Li3BO3, Li4B2O5, Li6B4O9, Li3B7O12, Li3B11O18 등의 리튬-보론계 화합물을 형성해 휘발점을 낮추게 되므로 리튬을 먼지 형태로 90% 이상 뽑아낼 수 있다.In addition, the present invention has a problem that when lithium-containing waste resources are dry-melted and reduced in the conventional manner, the yield of lithium dust is low due to the high volatility point of lithium oxide, but when a boron-based volatile agent such as H3BO3 or B2O3 is used, lithium-boron-based compounds such as LiBO2, LiB3O5, Li2B4O7, Li2B8O13, Li3BO3, Li4B2O5, Li6B4O9, Li3B7O12, and Li3B11O18 are formed, thereby lowering the volatility point, so that more than 90% of lithium can be extracted in the form of dust.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 회수 방법을 단계별로 작성한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 리튬 회수 방법을 단계별로 작성한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 먼지 형태로 수득한 리튬-보론계 화합물을 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 층 분리된 금속 합금과 슬래그를 촬영한 사진이다.Figure 1 is a flow chart illustrating a lithium recovery method step by step according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flow chart illustrating a lithium recovery method step by step according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a photograph of a lithium-boron compound obtained in the form of dust according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a photograph of a layer-separated metal alloy and slag according to one embodiment of the present invention.
이하 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. The terms or words used in this specification and claims should not be interpreted as limited to their usual or dictionary meanings, but should be interpreted as meanings and concepts that conform to the technical idea of the present invention, based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain his or her own invention in the best manner.
본 발명은 리튬을 함유한 폐자원을 건식제련법으로 유가금속을 효율적으로 회수하는 방법에 관한 것이다. 상기 폐자원의 예로는 수명이 다한 폐리튬전지가 바람직하다.The present invention relates to a method for efficiently recovering valuable metals from waste resources containing lithium by a dry refining method. An example of the waste resources is preferably a waste lithium battery whose lifespan has expired.
본 명세서에서 ‘리튬전지’라는 용어는 리튬이 포함된 1차전지, 2차전지, 또는 전고체전지를 모두 포함하는 의미로 사용된다. 상기 리튬전지가 수명이 다하거나 사용 후 폐기되는 전지 등을 통틀어서 ‘폐리튬전지’라고 한다.In this specification, the term ‘lithium battery’ is used to include all lithium-containing primary batteries, secondary batteries, or all-solid-state batteries. Lithium batteries that have reached the end of their lifespan or are discarded after use are collectively referred to as ‘waste lithium batteries.’
일반적으로 1차전지는 2차전지와 달리 한번 사용하면 전기적 재충전이 불가능하여 버리는 전지이다. 2차전지는 반복적으로 대략 500회 이상 충방전이 가능한 에너지 저장장치이며, 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하거나 반대의 과정도 가능한 전지이다. 대표적으로 리튬이온, 리튬폴리머, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지 등이 있다. 이 중에서 리튬이온전지가 다른 이차전지와 비교해보면 에너지 저장용량과 수명이 훨씬 뛰어나다. In general, primary batteries, unlike secondary batteries, are batteries that cannot be electrically recharged once used, so they are thrown away. Secondary batteries are energy storage devices that can be repeatedly charged and discharged approximately 500 times or more, and are batteries that can convert chemical energy into electrical energy or vice versa. Representative examples include lithium-ion, lithium polymer, nickel-cadmium, and nickel-hydrogen batteries. Among these, lithium-ion batteries have far superior energy storage capacity and lifespan compared to other secondary batteries.
또 리튬이온전지는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되는 반면에, 전고체전지는 전해질이 액체가 아닌 고체 상태인 전지이다. 따라서 전고체전지는 온도 변화와 외부 충격 등에 대비한 안전장치 및 분리막이 필요 없으므로 동일한 크기로 원가절감과 고용량 구현 가능하며, 화재 위험이 없는 장점이 있다.In addition, while lithium-ion batteries are composed of a cathode, anode, a separator, and an electrolyte, all-solid-state batteries are batteries in which the electrolyte is solid rather than liquid. Therefore, all-solid-state batteries do not require safety devices and separators to protect against temperature changes and external impacts, so they can be implemented at a lower cost and with a higher capacity in the same size, and they have the advantage of no risk of fire.
리튬이온전지의 양극에 쓰이는 핵심소재로는 금속염의 구성 성분에 따라 LCO(LiCoO2), NCM(Li[Ni,Co,Mn]O2), NCA(Li[Ni,Co,Al]O2), LMO(LiMn2O4) 및 LFP(LiFePO4) 등이 사용되고, 음극소재는 흑연 등과 같은 탄소성 물질이거나 실리카 등이 사용되며 집전체로 구리가 사용된다. The core materials used in the positive electrode of lithium-ion batteries include LCO (LiCoO2), NCM (Li[Ni,Co,Mn]O2), NCA (Li[Ni,Co,Al]O2), LMO (LiMn2O4), and LFP (LiFePO4), depending on the composition of the metal salt. The negative electrode material is a carbonaceous material such as graphite or silica, and copper is used as the current collector.
양극재 물질로 NCM622가 가장 많이 사용되고 있고, 이는 니켈-코발트-망간 비율이 6:2:2라는 것을 의미한다.NCM622 is the most commonly used cathode material, which means that the nickel-cobalt-manganese ratio is 6:2:2.
제련은 폐 리튬전지에서 고가의 금속을 추출하기 위해 사용되는 가장 효과적이고 널리 쓰이는 건식 공정 방법이다. 제련공정은 고온에서 이루어지지만 배소와의 가장 큰 차이점은 공정 온도이다. 배소(roasting)는 기체-고체(또는 고체-고체 반응)에 의한 공정이기 때문에 원료의 용융점 아래에서 이루어지는 반면, 제련(smelting)은 액상 상태에서의 반응에 의한 공정이므로 원료의 용융점 이상의 높은 온도가 요구된다.Smelting is the most effective and widely used dry process method used to extract expensive metals from spent lithium batteries. The smelting process is carried out at high temperatures, but the biggest difference from roasting is the process temperature. Roasting is a process by gas-solid (or solid-solid reaction), so it is carried out below the melting point of the raw material, while smelting is a process by reaction in the liquid state, so it requires a high temperature above the melting point of the raw material.
제련공정에서 전지 재료는 용융온도 이상으로 가열된 후 환원에 의해 액체 상태의 금속이 분리되고 혼합되지 않는 용융층을 형성한다. 제련공정의 장점은 다양한 화학적 조성을 가진 폐전지의 재활용이 가능하며, 분류 및 전처리 단계 없이 전지의 셀과 모듈을 고온로에 바로 장입할 수 있다는 것이다. In the smelting process, the battery material is heated above the melting temperature, and then the liquid metal is separated by reduction to form a molten layer that is not mixed. The advantage of the smelting process is that it is possible to recycle spent batteries with various chemical compositions, and the cells and modules of the battery can be directly loaded into the high-temperature furnace without sorting and preprocessing steps.
이에 본 발명은 상기 구성 물질 중 코발트, 구리, 알루미늄, 철, 리튬 등의 유가금속이 다량 함유되어 있어 이를 경제적인 가치가 있는 폐자원으로 효율적으로 회수하기 위해서 고온 열처리방법 중의 하나인 건식 용융제련방식을 이용한다.Accordingly, the present invention uses a dry smelting method, which is one of the high-temperature heat treatment methods, to efficiently recover valuable metals such as cobalt, copper, aluminum, iron, and lithium among the above-mentioned constituent materials as waste resources with economic value.
일반적으로 용융제련이란 용어는 열 및 화학적 환원제를 사용하여 광석을 분해하고 다른 요소를 가스 또는 슬래그로 몰아내고 뒤의 금속만 남겨두는 방식을 의미한다. 이때 환원제는 일반적으로 코크스와 같은 탄소의 공급원이거나 초기의 숯으로, 리튬전지에 존재하는 탄소와 알루미늄은 환원제로 작용하게 된다. 탄소는 광석에서 산소를 제거하여 원소 금속을 남긴다. 따라서 탄소(C)는 산화되어 이산화탄소가 생성된다. The term smelting generally refers to the process of using heat and chemical reducing agents to break down ore and drive out other elements as gases or slag, leaving only the metal behind. The reducing agent is usually a source of carbon such as coke or initial charcoal, and the carbon and aluminum present in lithium batteries act as reducing agents. Carbon removes oxygen from the ore, leaving the elemental metal. Therefore, carbon (C) is oxidized to produce carbon dioxide.
슬래그(slag)는 효율적인 제련 공정을 위해 폐전지 내 경제적 가치가 낮은 금속을 최대한 산화시켜 슬래그에 포함되게 하고, 유가금속의 산화는 억제하여 합금 층에 포함되도록 유도하는 매우 중요한 역할을 한다. 뿐만 아니라, 제련 공정시 플럭스 성분을 첨가하면 저 점도 및 저 융점 슬래그를 설계하게 되어 금속 성분의 회수율도 향상시킨다.Slag plays a very important role in the efficient smelting process by maximally oxidizing low-value metals in waste batteries and inducing them to be included in the slag, and suppressing the oxidation of valuable metals and inducing them to be included in the alloy layer. In addition, adding a flux component during the smelting process allows the design of low-viscosity and low-melting-point slag, which also improves the recovery rate of metal components.
환원 제련 공정이 완료된 후, 환원된 전이금속은 슬래그보다 밀도가 높아 용융합금 상(molten alloy phase)으로 농축되어 용해로 바닥으로 이동하여 용융 금속 풀(molten metal pool)을 형성함으로써, 금속 합금 층과 슬래그 층으로 나뉜다. 금속 합금 층에 포함되지 못하고 산화된 Al, Si, Li, Ca 그리고 Mn은 슬래그 층에 포함된다. 특히 리튬은 산화물로 존재할 때가 더 안정적이기 때문에 리튬 산화물은 환원되지 않고, 슬래그 층에 대부분 분포한다.After the reduction smelting process is completed, the reduced transition metal has a higher density than the slag, so it is concentrated into a molten alloy phase and moves to the bottom of the furnace to form a molten metal pool, thereby dividing into a metal alloy layer and a slag layer. Al, Si, Li, Ca and Mn that are not included in the metal alloy layer and are oxidized are included in the slag layer. In particular, lithium is more stable when it exists as an oxide, so lithium oxide is not reduced and is mostly distributed in the slag layer.
또한 상기 공정 중 생성된 가스는 Bag filter를 통해 더스트로 포집되고 스크러빙 장치를 거쳐 깨끗한 가스로 배출된다. 이때 소량의 리튬은 더스트로 포집되나 대부분의 리튬은 슬래그로 배출(또는 토출)되어 추가의 회수공정이 필요하나, 본 발명에서는 보론 성분을 이용하여 상기 리튬을 용융공정에서 휘발시겨 농축 회수하고자 하는 것이다. 한편 황성분을 이용할 수도 있지만, 보론 성분을 이용하면 SO2 유독가스가 발생하지 않으며, 황에 의한 매트가 발생하는 문제점이 없다는 특징이 있다.In addition, the gas generated during the above process is captured as dust through a bag filter and discharged as clean gas through a scrubbing device. At this time, a small amount of lithium is captured as dust, but most of the lithium is discharged (or discharged) as slag, requiring an additional recovery process. However, the present invention aims to volatilize and concentrate and recover the lithium in a melting process by using a boron component. Meanwhile, a sulfur component can also be used, but if a boron component is used, there is the characteristic that SO2 toxic gas is not generated and there is no problem of a mat caused by sulfur.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 회수 방법을 단계별로 작성한 흐름도로서, 본 발명은 리튬을 회수하기 위해서 리튬이 함유된 폐자원을 분쇄 또는 파쇄하는 전처리 단계(1); 상기 처리된 폐자원에 Ca 화합물이 포함된 플럭스(flux)와 보론 성분(Boron)을 혼합하는 단계(2); 상기 혼합물을 가열로에 장입시켜 1,400℃ 이상의 고온에서 용융시키는 단계(3); 및 상기 용융된 슬래그로부터 휘발되는 리튬-보론계 화합물을 공냉하여 먼지 형태로 수득하는 단계(4);를 통해서 이루어진다. FIG. 1 is a flow chart illustrating a lithium recovery method according to one embodiment of the present invention, step by step, including a pretreatment step (1) of crushing or pulverizing waste resources containing lithium to recover lithium; a step (2) of mixing flux containing a Ca compound and a boron component with the treated waste resources; a step (3) of charging the mixture into a heating furnace and melting it at a high temperature of 1,400°C or higher; and a step (4) of obtaining a lithium-boron compound volatilized from the molten slag in the form of dust by air-cooling.
요약하면 리튬이 함유된 폐자원으로부터 리튬을 리튬-보론계 화합물로 회수하는 방법에 관한 것이다. 상기 리튬-보론계 화합물은 LiBO2, LiB3O5, Li2B4O7, Li2B8O13, Li3BO3, Li4B2O5, Li6B4O9, Li3B7O12, Li3B11O18 등에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.In summary, the present invention relates to a method for recovering lithium from waste resources containing lithium as a lithium-boron compound. The lithium-boron compound may be at least one selected from LiBO2, LiB3O5, Li2B4O7, Li2B8O13, Li3BO3, Li4B2O5, Li6B4O9, Li3B7O12, Li3B11O18, etc.
즉 리튬의 대부분은 상기 단계에서 보론 성분으로 붕산(H3BO3)을 첨가함으로써 용융된 슬래그로부터 리튬-보론계 화합물이 아래 화학반응식의 휘발 메커니즘에 따라 생성되면 이는 기체로 쉽게 휘발되고 이후 공냉하여 먼지(더스트) 형태로 수득하게 되는 것이다. That is, most of the lithium is generated from the molten slag by adding boric acid (H3BO3) as a boron component in the above step, and when the lithium-boron compound is generated according to the volatilization mechanism of the chemical reaction formula below, it easily volatilizes into a gas and is then obtained in the form of dust by air cooling.
<화학반응식><Chemical reaction formula>
Li2O + 2H3BO3 = 2LiBO2 + 3H2O, △G : -66.795 kcal Li2O + 2H3BO3 = 2LiBO2 + 3H2O, △G: -66.795 kcal
Li2O + 6H3BO3 = 2LiB3O5 + 9H2O, △G : -99.968 kcal Li2O + 6H3BO3 = 2LiB3O5 + 9H2O, △G: -99.968 kcal
Li2O + 4H3BO3 = Li2B4O7 + 6H2O, △G : -88.916 kcalLi2O + 4H3BO3 = Li2B4O7 + 6H2O, △G: -88.916 kcal
Li2O + 8H3BO3 = Li2B8O13 + 12H2O, △G : -112.273 kcal Li2O + 8H3BO3 = Li2B8O13 + 12H2O, △G: -112.273 kcal
이러한 반응식들에서 Gibbs free energy(1,300 ℃), △G < 0 이므로 자발적 반응이고, 온도가 상승할수록 휘발성 리튬-보론계 화합물이 더 쉽게 생성된다. In these reaction equations, the Gibbs free energy (1,300 ℃) and △G < 0, so it is a spontaneous reaction, and as the temperature increases, volatile lithium-boron compounds are more easily generated.
이때 투입되는 슬래그의 Al2O3 함량 또는 슬래그의 조성에 따라 용융온도는 1300℃ 내지 1,800℃ 범위가 바람직하고 용융시간도 용융온도에서 1시간 이상을 유지하는 것이 바람직하다. 여기서 승온시 산소를 차단하거나, N2 또는 Ar 같은 불활성가스를 투입하거나 산소분압을 조절하여 보론 성분의 산화를 막는 것이 필요하다.At this time, depending on the Al2O3 content of the slag or the composition of the slag, the melting temperature is preferably in the range of 1,300°C to 1,800°C, and the melting time is also preferably maintained at the melting temperature for 1 hour or more. Here, it is necessary to block oxygen during temperature increase, inject an inert gas such as N2 or Ar, or control the oxygen partial pressure to prevent oxidation of the boron component.
본 발명의 다른 일 실시예로, 상기 전처리 단계 후 혼합하는 단계에서 플럭스와 함께 보론 성분을 첨가하지 않고, 용융시키는 도중에 또는 이후에 액체 슬래그에 별도로 첨가할 수도 있다(도 2 참조).In another embodiment of the present invention, the boron component may be added separately to the liquid slag during or after melting, rather than being added together with the flux in the mixing step after the pretreatment step (see Fig. 2).
이때 첨가되는 보론 성분의 양은, 슬래그 내의 리튬에 대해 화학양론에 입각하여 사용될 수 있다. 즉 리튬 당량의 0.5배 내지 10배가 혼합될 수 있고 리튬 당량의 1배 내지 5배가 바람직하며, 이에 한정되지는 아니한다. The amount of boron component added at this time can be used based on stoichiometry for lithium in the slag. That is, 0.5 to 10 times the lithium equivalent can be mixed, and 1 to 5 times the lithium equivalent is preferable, but is not limited thereto.
상기에서 언급된 보론(boron) 성분은 금속광택이 있는 단단한 흑회색의 고체로, 비중이 2.33이고 2000~2500℃에서 융해하며, 자연계에 홑원소 물질로서는 존재하지 않으나, 그 화합물의 종류에는 크게 붕사(Borax), 붕산염(Borate), 붕산(Boric acid, H3BO3), 무수붕산(Boric anhydride, B2O3), 붕산에스테르(Ester of boric acid), 붕소화물(boride), 붕소화마그네슘(Magnesium boride), 붕소화수소(hydrogen boride), 수소화붕소(borane) 등이 있으며, 이에 제한되지 아니한다. 여기서 붕산(H3BO3)이 가장 바람직하다. The boron component mentioned above is a hard, black-gray solid with a metallic luster, has a specific gravity of 2.33, and melts at 2000 to 2500℃. It does not exist in nature as a simple element, but its compounds include, but are not limited to, borax, borate, boric acid (H3BO3), boric anhydride (B2O3), ester of boric acid, boride, magnesium boride, hydrogen boride, and borane. Here, boric acid (H3BO3) is most preferable.
상기 폐리튬전지는 셀, 셀팩, 모듈, 조립체 또는 이들의 스크랩(scrap)일 수 있다.The above-mentioned waste lithium battery may be a cell, a cell pack, a module, an assembly or scrap thereof.
본 발명의 플럭스(flux)는 Ca 화합물과 함께 슬래그 융점을 낮추기 위해 SiO2, FeO, MnO 및 Al2O3 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있으며, 이는 미립상 또는 분말상으로 정련 가열로에 투입한다. 상기 성분들의 구성비는 용융점 등을 고려하여 다양하게 변화될 수 있으며, 상기 Ca 화합물의 구체적인 예로는 CaO 또는 CaCO3가 사용될 수 있다.The flux of the present invention may further include at least one of SiO2, FeO, MnO, and Al2O3 to lower the melting point of slag together with a Ca compound, which is introduced into a refining furnace in a fine particle or powder form. The composition ratio of the above components may be variously changed in consideration of the melting point, etc., and specific examples of the Ca compound may be CaO or CaCO3.
또한 폐리튬전지에 다량 함입되어 있는 불순물인 알루미늄에 대한 제거효율이 높으면서 용융온도에서 충분한 점성을 가지는 SiO2, MnO, Al2O3 등이 모두 포함된 CaO계를 플럭스로 사용하는 것이 좋다. It is also recommended to use a CaO-based flux that contains SiO2, MnO, Al2O3, etc., which have high removal efficiency for aluminum, an impurity contained in large quantities in waste lithium batteries, and have sufficient viscosity at the melting temperature.
상기 플럭스의 양은 폐전지셀의 종류에 따라 달라질 수 있지만, 폐리튬전지셀 중량의 0.5배 내지 10배가 사용될 수 있고, 2배 내지 5배가 바람직하다.The amount of the above flux may vary depending on the type of the spent battery cell, but 0.5 to 10 times the weight of the spent lithium battery cell may be used, and 2 to 5 times is preferable.
결국 상기 화학반응식에서 보론 성분과 플럭스의 양은 물론이고 환원제인 탄소량의 비율도 조절하게 되면, 폐리튬 회수에 필요한 리튬-보론계 화합물을 공냉하여 먼지 형태로 수득하게 되는 것이다. Ultimately, by controlling the amount of boron component and flux in the above chemical reaction formula as well as the ratio of carbon as a reducing agent, the lithium-boron compound required for recycling waste lithium can be obtained in the form of dust by air cooling.
생성 후 기체로 휘발되는 리튬-보론계 화합물은 스크러버, 백하우스 필터, 전기집진기, 사이클론 등을 이용하여 분리 또는 수집할 수 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 먼지 형태로 수득한 리튬-보론계 화합물을 촬영한 사진이다. The lithium-boron compound that volatilizes into a gas after generation can be separated or collected using a scrubber, a baghouse filter, an electrostatic precipitator, a cyclone, etc. FIG. 3 is a photograph of a lithium-boron compound obtained in the form of dust according to one embodiment of the present invention.
실시예Example
수명이 다해 버려진 리튬전지(NCM622)를 방전 후 파쇄하여 플레이크(flake) 형태로 준비하였다. 파쇄된 flake 452.3g에 플럭스를 골고루 섞은 다음 0.5L 알루미나 도가니에 투입하였다. 이때 플럭스로 SiO2 성분의 모래(sand) 7.8g을 사용하였고 CaCO3 174.49g을 추가로 혼합하였다. Lithium batteries (NCM622) discarded at the end of their life cycle were discharged and crushed to prepare flakes. Flux was evenly mixed into 452.3 g of the crushed flakes and placed in a 0.5 L alumina crucible. At this time, 7.8 g of sand with SiO2 component was used as flux and 174.49 g of CaCO3 was additionally mixed.
시료가 들어있는 상기 도가니를 전기로에서 Ar 불활성 분위기로 1400℃ 까지 5℃/min의 속도로 승온 후 1시간 유지하여 CoO, NiO를 Co, Ni 메탈로 환원시키고, 잉여의 C과 Al의 산화를 위해서 O2를 0.97 L/min의 속도로 필요한 양을 투입하였다. O2 투입 종료 후, Ar 가스로 불활성 분위기를 유지하면서 합금 성분과 슬래그 성분의 층 분리가 일어나도록 1400℃에서 1시간 유지하였다. 슬래그 층에 지속적으로 Ar 분위기와 1400℃를 유지하면서 리튬 휘발제로 붕산(H3BO3)을 1시간에 걸쳐 총 106.9 g을 투입하였다. 1400℃에서 1시간의 반응시간을 더 유지하며, 이 과정에서 생성된 LiBO2는 증기로 휘발된다. 이 반응 후 서냉하여 금속 합금과 슬래그를 취득하였다(도 4 참조). The crucible containing the sample was heated at a rate of 5°C/min to 1400°C in an Ar inert atmosphere in an electric furnace and maintained for 1 hour to reduce CoO and NiO to Co and Ni metals, and a required amount of O 2 was added at a rate of 0.97 L/min to oxidize excess C and Al. After completion of the O 2 addition, the crucible was maintained at 1400°C for 1 hour while maintaining the inert atmosphere with Ar gas to allow layer separation of the alloy components and slag components. While continuously maintaining the Ar atmosphere and 1400°C in the slag layer, a total of 106.9 g of boric acid (H3BO3) as a lithium volatile agent was added over 1 hour. The reaction time was maintained at 1400°C for 1 hour, and the LiBO2 generated during this process was volatilized into vapor. After this reaction, the metal alloy and slag were obtained by slow cooling (see Fig. 4).
가열로에 남아있는 합금(alloy) 층과 슬래그(Slag) 층으로부터 각 중량을 측정하였고 각 구성성분들의 함량을 정리하였다(표 1 참조). 생성된 금속 합금(alloy)층에는 Co, Ni, Cu, Mn, B 등을 포함하고 있고, 슬래그(slag) 층에는 Li, Mn, Al, CaO, SiO2, B 등이 포함되어 있음을 확인할 수 있었다.The weight of each alloy layer and slag layer remaining in the furnace was measured, and the content of each component was organized (see Table 1). It was confirmed that the generated metal alloy layer contained Co, Ni, Cu, Mn, B, etc., and the slag layer contained Li, Mn, Al, CaO, SiO2, B, etc.
또한 제련 공정 중 고온의 증기로 발생한 리튬-보론계 화합물은 전기로에 연결된 냉각장치와 집진장치를 거쳐 100℃이하에서 더스트(Dust, 먼지)형태로 백 필터(Bag filter)에서 포집하였고, 배가스는 스크러빙 장치를 통하여 세정 배출하였다. 이때 포집된 더스트의 중량과 분석된 구성성분의 함량도 표 1에 함께 정리하였다.In addition, lithium-boron compounds generated as high-temperature steam during the smelting process were collected in the form of dust in a bag filter at below 100℃ through a cooling device and dust collector connected to the electric furnace, and the exhaust gas was cleaned and discharged through a scrubbing device. The weight of the collected dust and the contents of the analyzed components are also summarized in Table 1.
(g)weight
(g)
(투입물)Input
(input)
(NCM
622)Flake
(NCM
622)
(생성물)Output
(product)
상기 생성물의 금속 합금, 슬래그, 더스트의 중량은 각각 120.6g, 317.9g, 72g이였고, 구성성분인 유가금속의 함량을 분석 확인하였으며, 특히 더스트의 회수량은 상기 장치에 잔존하는 양을 확인할 수 없어 포집된 더스트의 분석결과를 이용하여 합금과 슬래그에 존재하는 Li 함량을 제외한 양으로 역산하여 산출하였다.The weights of the metal alloy, slag, and dust of the above product were 120.6 g, 317.9 g, and 72 g, respectively, and the content of the constituent precious metal was analyzed and confirmed. In particular, the amount of dust recovered was calculated by reverse-calculating the amount excluding the Li content present in the alloy and slag using the analysis results of the captured dust, as the amount remaining in the device could not be confirmed.
각 생성물에 있어서, 유가금속의 분배비를 산출한 결과는 표 2에 정리하였다. 더스트에 포함된 Li의 중량은 투입한 원료의 Li 중량 대비 90,8%로 거의 대부분 포함하고 있음을 확인할 수 있었다. 즉 리튬이 90%이상 회수되는 결과를 보여주고 있다.For each product, the results of calculating the distribution ratio of valuable metals are summarized in Table 2. It was confirmed that the weight of Li contained in the dust was almost all of 90.8% of the weight of Li in the input raw material. In other words, it shows that more than 90% of lithium was recovered.
상기와 같은 본 발명은 건식용융환원을 하면 폐리튬전지로부터 90% 이상의 고회수율로 리튬을 회수하는데 매우 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.As described above, it was confirmed that the present invention is very suitable for recovering lithium from spent lithium batteries with a high recovery rate of 90% or more by dry melting reduction.
Claims (8)
리튬이 함유된 폐자원을 분쇄 또는 파쇄하는 전처리 단계(1);
상기 처리된 폐자원에 Ca 화합물이 포함된 플럭스(flux)와 보론 성분을 혼합하는 단계(2);
상기 혼합물을 가열로에 장입시켜 1,300℃ 이상의 고온에서 용융시키는 단계(3); 및
상기 용융된 슬래그로부터 휘발되는 리튬-보론계 화합물을 공냉하여 먼지 형태로 수득하는 단계(4);를 포함하는 방법In a lithium recovery method,
Pretreatment step (1) of crushing or crushing waste resources containing lithium;
Step (2) of mixing a flux containing a Ca compound and a boron component into the above-mentioned treated waste resources;
Step (3) of charging the above mixture into a heating furnace and melting it at a high temperature of 1,300°C or higher; and
A method including a step (4) of obtaining a lithium-boron compound volatilized from the molten slag in the form of dust by air cooling;
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