폐리튬이온배터리 내 다양한 물질의 바이오침출 저해 영향 평가 = Bioleaching inhibition assessment of various materials in spent lithium-ion batteries

국문 초록 (Abstract)

오늘날 환경 및 경제적인 이유로 리튬이온배터리(LIBs)내 자원 재활용의 필요성이 증가하고 있다. 그러나 기존 폐배터리 재활용 공정인 건식제련과 습식 제련의 경우, 높은 에너지 소비, 유독 가스 및 다량의 폐수 발생과 같은 환경적 한계를 지니고 있다. 이에 따라 바이오침출은 기존 재활용 공정의 친환경적 대안으로 주목받고 있다. 그러나 폐리튬이온배터리(SLIBs)에서 생성되는 블랙매스에는 Al, Cu, carbon black과 같은 다양한 불순물이 포함되어 있으며, 이는 박테리아 활성을 저해하고 금속 회수율을 감소시켜 바이오침출 공정에 중요한 요소로 간주된다. 본 연구에서는 바이오침출을 이용해 블랙매스와 양극활물질의 침출 효율을 동일한 조건에서 체계적으로 비교하였으며, 블랙매스의 침출 저해 영향을 규명하기 위해 Al, Cu, Ni, and carbon black을 개별적으로 선정하여 농도별 실험을 수행하였다. 그 결과, 블랙매스의 침출 효율은 양극활물질에 비해 현저히 낮았으며, 이는 블랙매스 내 불순물들이 박테리아 성장과 철 산화 활동을 억제하기 때문인 것으로 확인되었다. 이에 따라 선정된 각 물질의 농도별 영향을 평가한 결과, 모든 물질이 고농도에서 금속 침출을 저해시키는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 SLIBs 바이오침출 과정에서 불순물이 미치는 저해 효과를 나타내는 기초 연구로서 중요한 의미를 가지며, 동시에 박테리아 적응이나 공정 최적화와 같은 불순물 저해 극복 방안에 대한 후속 연구의 필요성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures III
• List of Tables VI
• 1. Introduction 3
• 2. Materials and Methods 10
• 2.1. Sample preparation and characterization 10
• 2.2. Microorganism cultivation 16
• 2.3. Bioleaching experiments 18
• 2.3.1. Cathode active material and black mass 18
• 2.3.2. Inhibition materials in black mass 19
• 2.4. Analytical methods 24
• 2.4.1. Monitoring methods 24
• 2.4.2. Bioleaching analysis methods 25
• 3. Results and Discussion 27
• 3.1. Growth curve of Acidithiobacillus ferriphilus 27
• 3.2. Cathode active material and black mass 30
• 3.3. Inhibition materials in BM 37
• 3.3.1. Effect of Al³⁺ 37
• 3.3.2. Effect of Cu²⁺ 43
• 3.3.3. Effect of Ni²⁺ 47
• 3.3.4. Effect of Carbon black 50
• 3.4. Characterization of bioleaching residues 54
• 4. Conclusion 58
• 5. Future research perspective 60
• 6. References 64