분리 공정 없는 친환경 양극재 재활용 공정의 개발 = Development of an Eco-Friendly Cathode Material Recycling Process Without a Separation Step

국문 초록 (Abstract)

본 논문의 목적은 분리 공정을 생략한 친환경 양극재 재활용 기술을 개발하기 위한 논문이다. 전기자동차의 보급이 급격히 증가함에 따라, 이에 사용되는 리튬 이차전지의 수요도 빠른 속도로 증가하고 있다. 이로 인해 사용후 배터리의 효율적인 재활용에 대한 사회적 관심이 높아지고 있다. 현재 상용화되어 널리 적용되는 배터리 재활용 기술 중 하나인 습식 공정(Hydrometallurgical process)은 NCM계 사용후 양극재로부터 니켈, 코발트 및 망간 등의 목적 금속을 비교적 높은 회수율로 회수할 수 있다는 장점을 지닌 다. 그러나 용매 추출 단계에서 리튬(Li)은 후속 추출 되어 저농도로 회수되는 한계가 존재하며, 다량의 유기 용매와 화학 시약이 사용됨에 따라 환경적 부담이 발생하는 문제가 존재한다. 본 논문에서는 이러한 한계를 개선하기 위해 환원 배 소와 수 침출 단계를 결합하고, 공정 조건을 최적화하여 Li을 99% 이상 선택적으로 선 추출하였다. 회수된 Li은 탄산리튬(Li2CO3)형태로 침전하여 회수하였으며, 사용후 양극재 내 잔류하는 Ni, Co, Mn 금속을 개별적으로 분리하지 않고 공침 반응을 통해 전구체를 직접 합성하였다. 이렇게 제조된 전구체를 회수된 Li2 CO3와 혼합하여 LiNi0.6Co0.1Mn0.3O₂(NCM613) 양극 재를 재활용하였다. 재활용된 양극재를 순수원료로 합성된 양극재와 전기 화학적 특성을 평가한 결과, 초기 방전 용량은 순수 양극재 대비 약 1.5 mAh/g 낮았으며, 100사이클에서 의 용량 유지율은 약 4.7% 감소하였다. 그럼에도 불구 하고 전체적인 전기화학적 거동은 유사한 수준을 나타 내어, 제안된 재활용 공정의 기술적 실현 가능성과 재 활용 소재의 실용성을 입증하였다. 또한, 물질전과정평가(MLCA)를 진행한 결과, 재활용 공정 효율을 개선 하고 시약 사용을 최적화할 경우, 본 재활용 공정이 순수원료 기반 합성 공정보다 우수한 환경적 성능을 확보할 수 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 1. 전기차용 리튬 이차전지 전망 4
• 2. 배터리 재활용 7
• 1) 사용후 배터리 발생 전망 7
• 2) 배터리 재활용의 필요성 9
• 3) 배터리 재활용 기술 11
• (1) 습식공정 11
• (2) 건식공정 12
• (3) 직접 재활용 13
• (4) 공정별 비교 및 공정 채택 14
• 3. 습식공정의 한계 15
• 1) 리튬에 의한 공침 반응 불안정 15
• 2) 용매 기반 금속 회수의 한계 17
• 4. 문제 해결을 위한 연구 방향 18
• 1) 환원 배소 및 수 침출 18
• 2) 탄산리튬 회수 20
• 3) 분리 공정 없는 재활용 22
• 5. 물질전과정평가(MLCA) 23
• Ⅲ. 실험 방법 26
• 1. 리튬 선별 추출 공정 26
• 1) 환원 배소 26
• 2) 수 침출 27
• 2. 탄산리튬 회수 28
• 3. 산 침출 및 불순물 제거 29
• 4. 재활용 전구체 합성 30
• 5. 양극활물질 합성 31
• 1) 재활용 양극활물질 합성 31
• 2) 순수 양극활물질 합성 32
• 6. 재료 특성화 33
• 7. 전극 및 코인 셀 제작 34
• 8. 전기화학적 성능 평가 35
• 9. 물질전과정평가(MLCA) 36
• Ⅳ. 연구 결과 39
• 1. 리튬 선별 추출 공정 39
• 1) 환원 배소 39
• 2) 수 침출 42
• 2. 리튬 여액에서 탄산리튬 합성 44
• 3. 산 침출 및 불순물 제거 공정 46
• 1) 황산을 이용한 금속 침출 46
• 2) 금속성 불순물 제거 47
• 4. 전구체·양극활물질 물성 분석 49
• 1) 전구체·양극활물질 조성 분석 49
• 2) 양극활물질 미세 구조 분석 50
• 3) 양극활물질 구조 분석 51
• 5. 전기화학적 성능 평가 53
• 1) 초기 충·방전 그래프 분석 53
• 2) 사이클 특성 그래프 분석 55
• 3) 율 특성 그래프 분석 57
• 4) 임피던스 및 리튬 확산계수 59
• 6. 물질전과정평가(MLCA) 63
• 1) CML 2001 방법론 63
• 2) ReCiPe 2016 방법론 66
• Ⅴ. 결론 69