폐양극재로부터 환원배소 및 불순물 제거 공정을 통한 이차전지용 수산화리튬 제조 = Lithium Hydroxide Production from Spent Cathode Materials via Reduction Roasting and Impurity Removal

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the demand for electric vehicles (EVs) and battery recycling continues to rise, the amount of defective and off-grade materials generated during battery manufacturing is also expected to increase. This study focuses on producing high-purity lithium hydroxide monohydrate (LiOH·H2O) from off-spec cathode materials by removing impurities such as Co, Al, alkali metals, alkaline earth metals, and lithium carbonate.
Waste cathode materials were reduced in a horizontal hydrogen furnace by supplying three times the required amount of H2 relative to Li2O at 900°C for 3 hours,followed by water leaching, resulting in a lithium recovery of 95.2%.
To remove cobalt from the leachate, Stabcal simulations were conducted, showing that Co precipitates in the pH range of 9–12. When the lithium concentration was 12 g/kg, the pH reached 12.14, which was controlled by adjusting the volume of leach water used in the process.
Stabcal simulations also indicated that residual aluminum exists as an anionic species under alkaline conditions. Therefore, Al removal was performed using an Al-selective anion exchange resin at 50°C, lowering the Al concentration to below 1 ppm.
The purified lithium solution was then subjected to two stages of evaporation and crystallization at 80°C, followed by re-dissolution at 90°C to further reduce alkali, alkaline earth metal, and lithium carbonate impurities. The final product, lithium hydroxide monohydrate (LiOH·H2O), achieved a purity of 99.9%, making it suitable as a raw material for secondary battery production.

국문 초록 (Abstract)

EV 시장과 폐배터리 재활용에 대한 수요가 증가함에 따라 배터리 제조 과정 중 발생하는 부적합품이나 불량품 또한 증가할 것으로 사료 된다. 이에 본 연구는 양극재 제조 과정 중 발생하는 부적합품으로부터 Co, Al, 알칼리·알칼리토금속과 탄산리튬을 제거 후 고순도 수산화리튬일수화물(LiOH·H2O)을 제조하는 연구를 수행하였다.
폐양극재 대상으로 수평 수소 환원로 내에서 Li2O 대비 300%의 H2를 투입하고 900°C에서 3시간 동안 환원배소 후 수침출하였으며 리튬의 회수율은 95.2%였다.
리튬 여액 내 코발트를 침전시키기 위해 Stabcal Simulation을 실시하여 pH 9~12 사이에서 코발트가 침전하는 것을 확인하였다. 용액 내 리튬 농도가 12 g/kg일 때 pH는 12.14 임을 확인하였고 수침출 공정에서 침출수 사용량 조절을 통해 리튬 농도를 제어하였다.
잔여 알루미늄은 Stabcal Simulation을 통해 알칼리 조건에서 음이온 형태를 가지는 것을 확인하여 음이온 교환수지로 알루미늄 흡착 실험을 진행하였다. 알루미늄에 특화된 수지를 이용하여 50°C에서 이온교환수지 실험을 수행하였고 알루미늄을 1ppm 이하로 제거하였다.
이후 80°C에서 증발 농축 결정화를 2회 진행하고 90°C에서 재용해하여 알칼리·알칼리토금속 및 탄산리튬을 제거하였으며 결정화 후 회수된 수산화리튬일수화물(LiOH·H2O)은 순도 99.9%로 이차전지용 배터리 제조에 적합한 원료로 사용이 가능하다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구의 목적 1
• 1.2 연구의 내용 2
• 제 2 장 이 론 3
• 2.1 리튬의 개요 및 시장 동향 3
• 2.1.1 리튬의 개요 3
• 2.1.2 리튬의 시장 동향 6
• 2.2 폐배터리 재활용 기술 및 산업 8
• 2.2.1 폐배터리 재활용 기술의 개요 8
• 2.2.2 폐배터리 재활용 산업의 현황 9
• 2.2.3 폐배터리 재활용 산업의 전망 11
• 2.3 리튬 탈리 공정 12
• 2.4 폐양극재 내 리튬 회수 기술의 차별성 14
• 제 3 장 원료 및 실험 방법 15
• 3.1 원료 특성 평가 15
• 3.2 폐양극재 내 리튬 회수 공정 개요 및 실험 방법 18
• 3.2.1 폐양극재 내 리튬 회수 공정 개요 18
• 3.2.2 폐양극재 수소 환원배소 실험 20
• 3.2.3 수침출 실험 22
• 3.2.4 코발트 제거 실험 23
• 3.2.5 알루미늄 제거 실험 25
• 1) 알루미늄 제거 실험의 개요 25
• 2) 알루미늄 제거 기초 실험 27
• 3) 알루미늄 제거 BV 실험 27
• 3.2.6 증발 농축 결정화 및 재용해 실험 28
• 3.3 분석 방법 30
• 제 4 장 실험 결과 및 고찰 31
• 4.1 폐양극재 수소 환원 실험 결과 31
• 4.1.1 수소 주입량에 따른 리튬 회수율 31
• 4.1.2 반응 온도에 따른 리튬 회수율 33
• 4.1.3 반응 시간에 따른 리튬 회수율 35
• 4.2 코발트 제거 실험 결과 37
• 4.3 알루미늄 제거 실험 결과 40
• 4.3.1 알루미늄 제거 기초 실험 결과 40
• 4.3.2 알루미늄 제거 BV 실험 결과 42
• 4.4 증발 농축 결정화 및 재용해 실험 결과 47
• 제 5 장 결 론 50
• [참고 문헌] 51