Thermal separation guidelines for direct recycling of LiNiCoMnO2 cathodes : Balancing impurity removal and interfacial integrity = 리튬배터리 LiNixCoyMnzO2 양극의 직접 재활용을 위한 열적 분리 가이드라인 및 계면 특성 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A recent surge in lithium-ion battery necessitates sustainable battery recycling strategies. Direct recycling has emerged as a compelling alternative to conventional methods due to its environmental and economic benefits. However, the performance of regenerated cathode active materials （CAMs）is often compromised by residual impurities from its separation process. In this study, we systematically investigate the properties of CAMs recovered from beginning-of-life pouch cells depending on various separation process conditions. Al current collectors are selectively removed using a NaOH solution, resulting in residual Al concentration of approximately 1 mol%. Thermal separation is subsequently conducted over a wide temperature range 300-850°C at 50℃ intervals to elucidate the trade-off between impurity removal and microstructural preservation. SEM analysis reveals three distinct regimes: incomplete removal of polyvinylidene fluoride binder and conductive agent at low temperatures（300-450°C）, preservation of intact primary and secondary particle morphology at intermediate temperatures （500-650°C）, and severe secondary particle damage at high temperatures（700-850°C）. Surface analyses after regeneration confirm that increasing separation temperature induces the transformation of fluorine species from -F-C-F- bonds to inorganic metal-F species, accompanied by the formation of electrochemically inactive lithium compounds. Electrochemical analyses demonstrate that Li+ transport in regenerated CAMs is predominantly governed by surface-interfacial kinetics rather than bulk lattice diffusion, as evidenced by contrasted Li+ diffusion coefficient values. These findings establish definitive thermal processing guidelines for direct recycling and emphasize that controlled surface-interfacial engineering during separation is critical for restoring high-performance recycled CAMs.

국문 초록 (Abstract)

최근 리튬 이온 배터리 수요의 급격한 증가로 인해 지속가능한 배터리 재활용 전략의 필요성이 크게 대두되고 있다.
직접 재활용（Direct recycling）은 환경적·경제적 이점으로 인해 기존 재활용 공정을 대체할 유망한 기술로 주목받고 있으나, 분리 공정에서 발생하는 잔류 불순물로 인해 재생된 양극 활물질의 성능이 저하되는 한계가 존재한다.
본 연구에서는 다양한 분리 공정 조건에 따른 Beginning of life 파우치 셀에서 분리한 양극 활물질의 특성을 체계적으로 분석하였다. 먼저 NaOH 용액을 이용하여 알루미늄 집전체를 선택적으로 제거하고, 잔류 알루미늄 농도를 약 1 mol% 수준으로 제어하였다. 이후 불순물 제거와 미세구조 보존 간의 상관관계를 규명하기 위해 300-850°C 범위에서 50°C 간격으로 열적 분리를 수행하였다. 형태학적 분석（SEM） 결과, 온도에 따라 세 가지 구간이 확인되었다. 저온 영역（300-450°C）에서는 PVDF 바인더 및 도전재가 완전히 제거되지 않았으며, 중간 온 영역 （500-650°C）에서는 입자구조가 안정적으로 유지되었다. 반면 고온 영역（700-850°C）에서는 2차 입자의 심각한 구조적 손상이 관찰되었다. 표면 화학 분석（XPS, TEM）에서는 분리 온도 증가에 따라 불소（F） 종이 유기 결합（-F-C-F-）에서 무기 금속-불소（metal-F） 종으로 전환됨을 확인하였으며, 이와 동시에 전기화학적으로 비활성인 리튬 화합물의 형성이 촉진됨을 규명하였다. 또한 전기화학적 분석을 통해 재생 양극재 내 리튬 이온 이동이 결정 내 확산보다 표면-계면 반응에 의해 지배됨을 확인하였다.
결론적으로, 본 연구는 직접 재활용 공정에서 최적의 열처리 조건을 제시하고, 고성능 재생 양극재 확보를 위해 정밀한 표면-계면 엔지니어링이 필수적임을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Experimental 6
• 1. Experimental procedure 6
• 1.1 Separation process 6
• 1.2 Regeneration process 7
• 2. Characterization 9
• 2.1 Physicochemical analysis 9
• 2.2 Electrochemical analysis 10
• III. Results and discussion 13
• 1. Characterization of BOL cell 13
• 2. Separation process 17
• 2.1 Selection of separation process 17
• 2.2 Physicochemical properties of separated cathode materials 18
• 3. Regeneration process 26
• 3.1 Physicochemical properties of regenerated CAMs 26
• 3.2 Electrochemical properties of regenerated CAMs 40
• 4. Guidelines for thermal separation and regeneration 58
• IV. Conclusions 62
• V. References 66