폐 이차전지로부터 효율적 리튬회수 및 리튬이차전지 리튬소재화기술 개발에 대한 연구

서장현 ( Jang-hyun Seo ),김민찬 ( Min-chan Kim ),박지윤 ( Ji-yoon Park ),박건용 ( Geon-yong Park ),류태공 ( Tae-gong Ryu ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

전 세계적인 이차전지 산업의 급진적인 발달과 수요에 따라 국내의 관련 산업분야는 세계적 수준의 기술력을 바탕으로 매년 기하급수적으로 원료의 수요 및 부산물의 발생이 상승하고 있으며, 이에 따라 폐이차전지에 대한 재활용 기술의 개발이 요구되는 상황이다. 현재까지 국내에서 개발된 폐이차전지의 재활용 기술은 건식파쇄 및 소성 또는 습식 용매추출법에 국한되어 적용되어오고 있으며, 일부 고가의 유가금속의 회수에 집중되어 있다. 해당 기술들은 과도한 공정 에너지를 소모하고 이에 따른 공정운영 비용이 매우 고가이며, 공정에서 발생하는 폐기물을 최종 처분해야 하는 근본적인 문제를 포함하고 있어, 저비용 고효율의 친환경적인 재활용공정 개발이 매우 필요한 실정이다. 본 연구에서는 폐 리튬이차전지로부터 리튬과 기타 유가금속을 분리하여 회수하는 습식 공정을 개발하여 99% 이상의 고순도 소재로 재자원화하는 연구를 수행하였다. 폐이차전지를 파쇄 및 분쇄하여 얻어진 스크랩 분말을 주원료로 하여 정량(ICP-OES), 정성(X-ray Fluorescence analysis)분석을 수행하였으며 주요 성분은 리튬 6%, 니켈 32% 코발트, 망간은 각 10% 로 분석되었다. 리튬을 습식 분리하기 위해 무기산을 사용하여 산농도와 반응온도 등의 변수에 따라 최적 습식 분리조건을 산정하였고. 이때 리튬 및 유가금속(니켈, 코발트 등)의 농도는 IPC-OES를 통해 확인하였다. 본 실험을 통해 효율적인 분리는 염산(HCl, 0.07M)을 사용한 경우에, 고액비(Liqiud/Solid) 100, 80℃의 반응조건에서 가장 우수하였다. 리튬추출액은 농축하여 탄산화반응을 통해 탄산리튬으로 리튬을 분리 및 소재화하였고, 이때 반응 가능한 리튬추출액의 농도는 8,000ppm 이상이었다. 분리된 분말은 황산침출 및 pH 조절을 통해 니켈, 코발트 망간등의 유가금속을 재자원화가 가능하다. 특히 철, 알루미늄, 구리 등 불순물은 수산화침전을 통해 제거되어, 99% 이상 순도의 니켈-코발-망간 복합염의 리튬이차전지 양극재 원료 제조가 가능함을 확인하였다. 본 연구를 통해 니켈수소 폐이차전지에 존재하는 리튬과 기타 유가금속을 분리 회수하여 소재화하는 저비용의 친환경 공정기술을 개발하고 수입자원의 해외 의존도를 최소화하여 친환경 자원 선순환 기술을 확보할 것으로 기대된다.

멀티콥터(드론)와 이차전지

손호준(Ho Jun, Son),선유정(Yu Jeong, Seon),유호석(Ho Suk, Ryu) 한국전지학회 2021 한국전지학회지 Vol.1 No.1

최근 무인기 중에서 많은 사람들이 스포츠, 완구, 모빌리티 형태로 사용하고 있는 멀티콥터(드론)의 시장은 급격하게 성장하고 있다. 다양한 기능을 가진 드론의 개발에 따라 큰 성능이 필요하게 되었다. 멀티콥터동력의 핵심 부품인 이차 전지의 고용량, 고출력 성능, 안전성 등과 관련 관심사도 증가하고 있다. 또한 멀티콥터에서 최근 이러한 전지(이차전지) 단독으로 사용되는 것 이외에도 태양전지, 내연기관, 연료전지 등과 혼용되는 등 다양한 형태로 사용되고 있다. 그러므로 본 논문은 멀티콥터와 멀티콥터에 사용되는 이차전지의 특성과 사용에 대하여 알아보도록 하겠다. Recently, market of the multi-copter (drone), which is used by many people in the form of sports, toys, and mobility, is growing rapidly. The development of drones with various functions required great performance. Interests related to high capacity, high power performance, and safety of secondary batteries, which are key components of drone power, are also increasing. In addition to being recently used exclusively by drones, it has been used in various forms, including solar cells, internal combustion engines, and fuel cells. Therefore, this paper will examine the characteristics and use of secondary batteries used in drones and drones.

폐리튬이차전지에서 회수된 황산리튬 전구체로부터 침전제 종류별 수산화리튬 제조 거동 연구

주소영,김대근,변석현,김용환,심현우 한국자원리싸이클링학회 2021 資源 리싸이클링 Vol.30 No.1

This study investigated the effect of the type of alkaline precipitant used on the synthesis of lithium hydroxide by examining the behavior of lithium hydroxide produced using lithium sulfate recovered from a waste lithium secondary battery as a raw material. The double-replacement reaction (DRR) process was used to remove the impurities contained in the lithium salt precursor of lithium sulfate and to improve the efficiency of the synthesis of lithium hydroxide. The experiment was conducted by control the molar ratio of the precursor ([Li]/[OH]), the reaction temperature, and the composition of the alkaline precipitant (KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2) used for the production of highly-crystalline lithium hydroxide. A secondary solid-liquid separation was performed following the reaction to remove the impurities generated, and the purified aqueous solution of lithium hydroxide was evaporated to remove the moisture and obtain the product as a powder. The crystallinity and synthesis behavior of the product were examined. 본 연구에서는 알칼리성 침전제 종류 따라 제조되는 수산화리튬 결정화 정도 확인을 위해 폐리튬이차전지로부터 회수된 황산리튬을원료로 사용하여 수산화리튬 제조 거동을 확인하였다. 황산리튬의 리튬염 전구체에 포함되어 있는 불순물 제거 및 높은 수산화리튬 합성효율을 위해 2차 침전법인 Double replacement reaction(DRR) 공정을 사용하였으며, 결정성 높은 수산화리튬 제조를 위하여 알칼리성침전제(KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2)를 포함하여 전구체 몰비 ([Li]/[OH]) 및 합성온도 조건을 변수로 두어 실험을 진행하였다. 반응 후 생성된 불순물 제거를 위해 2차 고/액 분리를 실시하였고 불순물이 제거된 수산화리튬 수용액은 증발을 통해 수분 제거하여 분말을 수득하였다. 최종적으로 수득한 분말의 결정성 평가 및 제조 거동을 확인하였다.

리튬이차전지와 태양전지를 이용한 융합 디바이스 개발에 관한 연구

윤백상(Baeksang Yoon),정준호(Jungo Jeong),김상길(Sang-Gil Kim),김재국(Jaekuk Kim),권남(Nam Kwon),서인석(Inseok Seo) 한국전지학회 2021 한국전지학회지 Vol.1 No.2

본 논문에서 리튬이차전지와 실리콘 태양전지를 결합한 융합 디바이스 제조 및 특성평가 결과를 논의한다. 리튬이차전지의 양극활물질로는 Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O₂(NCA), 음극활물질로 Li₄Ti5O1₂를 사용하였다. 실리콘 태양전지를 이용하여 충방전을 진행하였을 때 리튬이차전지 사이클러로 충방전을 진행하였을 때와 유사한 거동을 보였다. 실리콘 태양전지와 리튬이차전지 융합 소자의 에너지 변환 및 저장 효율은 11.02%로 확인되었다. 결과적으로 실리콘 태양전지와 리튬이차전지의 융합에 있어 사용 가능함을 확인하였다. In this paper, development and characterization of lithium-ion battery(LIB) interconnected device using silicon solar cell were discussed. Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O₂(NCA) was used as the cathode active material and Li₄Ti5O1₂(LTO) was used as the anode active material. The NCA-LTO full cell showed a reasonable capacity retention and coulombic efficiency of 88.62% and 99.20% at 100 cycles, respectively. The fill factor of Si solar cell showed 0.738. The interconnected device showed a power conversion efficiency of 11.02%. Both the LIBSi solar cell device and LIB cell without Si solar cell (battery cycler charging) showed similar charge-discharge voltage profiles. As a result, it is possible that NCA-LTO with Si solar cell could be used in the field of interconnected device.

차세대 Li/S 전지의 최근 개발동향

이정규 한국공업화학회 2016 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2016 No.0

에너지저장용 이차전지로서 Li/S 전지는 원료가격이 낮고, 높은 이론 용량(1672 mAh/g)과 에너지밀도(2600 Wh/kg)를 가져 기존 리튬이차전지의 가격 및 에너지밀도 한계를 넘는 차세대 이차전지로 개발될 잠재력을 가지고 있다. 지금까지 Li/S 전지의 충/방전 과정에서 생성되는 리튬 폴리설파이드(LiPS, lithium polysulfides)의 용출 및 전극간의 셔틀 현상에 기인하는 용량감소 및 수명단축 문제, 그리고 리튬금속 음극의 부식 등의 문제로 대규모로 상용화 되지 못하고 있다. 그러나 최근에 Li/S 전지의 상기 문제점들에 대한 많은 요소기술들이 개발됨에따라 그 성능이 크게 향상되는 결과들이 보고되고 있다. 본 발표에서는 대표적인 주요 요소기술들이 Li/S 성능에 미치는 영향을 분석하고, 기존 리튬이차전지 기술과 비교하여 실제적으로 실현가능한 Li/S 전지의 에너지밀도를 예측해 보고자 한다. 이를 통하여 Li/S 전지를 차세대 이차전지 기술로 개발하기 위해 필요한 전략을 에너지밀도, 수명 등의 측면에서 고찰해 보고자 한다.

박형금속 집전체를 활용한 플렉서블 리튬이차전지

조국영 한국공업화학회 2015 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2015 No.0

최근 들어 웨어러블 디바이스 등 플렉시블 전자기기가 개발됨에 따라 유연성을 갖는 이동형 에너지 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 에너지 공급원으로서 리튬이차전지는 고용량 특성으로 인해 매우 매력적이고 할 수 있다. 기존 상용 리튬 이차전지는 안전성 확보를 위하여 전지의 변형을 억제하는 것에 초점을 맞춘 점을 고려할 때 플렉시블 리튬이차전지는 오히려 역설적으로 여겨질 수 있다. 이러한 측면에서 기존의 리튬이차전지의 성능이나 장점을 유지하거나 향상시키면서 플렉시블 특성을 부여하는 것은 전지의 구성재료, 제조방법 등에서 새로운 접근이 요구된다. 본 발표에서는 플렉시블 전지 구현을 위해 집전체 측면에서 고려해 보고 박막 금속층을 활용한 플렉시블 집전체와 이를 활용한 플렉시블 리튬이차전지에 대하여 다루고자 한다.

건식 공정을 통한 리튬이차전지의 재활용 연구 동향

박은미,한철웅,손성호,이만승,김용환 한국자원리싸이클링학회 2022 資源 리싸이클링 Vol.31 No.3

The global demand for lithium-ion batteries (LIBs) has been continuously increasing since the 1990s along with the growth of the portable electronic device market. Of late, the rapid growth of the electric vehicle market has further accelerated the demand for LIBs. The demand for the LIBs is expected to surpass the supply of lithium from natural resources in the near future, posing a risk to the global lithium supply chain. Moreover, the continuous accumulation of end-of-life LIBs is expected to cause serious environmental problems. To solve these problems, recycling the spent LIBs must be viewed as a critical technological challenge that must be urgently addressed. In this study, recycling LIBs using pyrometallurgical processes and post-processes for efficient lithium recovery are briefly reviewed along with the major accomplishments in the field and current challenges. 리튬이차전지의 수요는 1990년대 이후로 휴대용 전자 기기 시장과 함께 지속적으로 증가되어 왔으며, 최근 전기 자동차 시장의 급격한 확장에 따라 리튬이차전지 또한 전 세계적으로 수요가 급증하였다. 이는 가까운 미래에 천연자원으로부터의 리튬 공급량을 앞설 것이며, 리튬 자원 수급의 불안정을 초래할 수 있다. 지속적으로 축적되는 수명이 다 한 폐전지 또한 환경적으로 큰 문제를 야기할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 사용된 리튬이차전지의 재활용은 매우 중요한 기술적 과제이다. 본 연구에서는 건식 공정을 이용한 리튬이차전지의 재활용 공정과 함께 리튬 회수를 위한 추가 공정에 대해 조사하였다. 전지 재활용을 위한 건식 제련의 지속적인 연구는 리튬 및 유가 금속의 회수율을 크게 향상시켜 전기 자동차 및 휴대용 전자기기의 필수 부품인 리튬이차전지의 시장 안정화에 크게 기여할 것이다.

전기차(EV) 폐배터리 적정 관리방안 연구

조지혜 ( Ji Hye Jo ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2017 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2017 No.-

현재 스마트폰을 비롯하여 전기자동차(EV), 드론, ESS(Energy Storage System) 등 여러 번 충·방전이 가능한 리튬이차전지가 들어가지 않는 첨단기기를 찾아보기 어려운 상황이다. 이와 같이 이차전지 시장이 크게 성장함에 따라 효용 만료, 폐기 등을 통해 폐배터리의 형태로 그 배출 또한 급증하고 있어 관리체계가 구축될 필요가 있다. 리튬이차전지는 기존 전지 대비 에너지 밀도가 3배 정도 높고 무게가 가벼워 널리 활용되고 있으나, 폭발 위험이 있어 안전 측면에서 관리가 필요하다. 해외 각국에서는 리튬이차전지 시장이 급속히 확대됨에 따라 향후 발생할 폐배터리의 배출에 대비하여 친환경적인 자원회수 및 유해물질 관리 등을 통하여 폐배터리가 환경에 미칠 영향을 최소화하고 원재료를 대체해나가고 있다. 미국의 경우, 연방법 「Mercury-Containing and Rechargeable Battery Management Act」 하에 폐리튬이차전지를 관리하고 있다. 유럽연합(EU) 역시 「Battery Directive」를 통하여 폐배터리를 관리하고 있으며, 생산자책임제도에 기초하여 수거 및 재활용 체계를 구축하고 있다. 한편, 국내의 경우 「자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률」에 따라 생산자책임재활용제도(EPR)제도를 통하여 니켈카드뮴전지 등 폐배터리를 관리하고 있으나, 리튬이차전지는 포함되어 있지 않다. 또한 전기차 폐배터리(보조금 지급대상)의 경우 「대기환경보전법」에 따라 지자체에 반납하도록 하고 있으나, 이후 관리체계가 부재한 상황이다. 이에, 본 연구에서는 전기차 폐배터리를 대상으로 배출-수거-자원회수-활용에 이르기까지 각 단계별 관리체계를 마련하고 자원순환성을 제고하기 위한 방안을 검토하였다.

내수성이 향상된 리튬 이차 전지용 수계 세라믹 코팅 분리막의 전기화학적 특성

임진솔,이지은,안진혁,조국영 한국공업화학회 2016 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2016 No.1

소형 모바일 IT기기의 주 에너지원으로 사용되고 있는 리튬이차전지는 점차 중˙대형 응용분야(전기자동차 및 에너지 저장 시스템)로 그 사용이 확대되고 있다. 하지만 중대형용 전지로의 활용을 위해서는 현재 상용화 된 리튬이차전지에 비해 재료와 제조 방법에서의 비용감소와 안정성 증가가 요구된다. 최근 수계 방식으로 처리되는 리튬이차전지의 구성 부품을 제조하는 것은 이러한 목표를 충족시킬 수 있는 방법 중의 하나이다. 현재까지 다양한 전극 활물질에 대해서 물에 녹을 수 있는 바인더를 이용한 전지의 효과를 증대시킨 연구가 보고된 바 있다. 그러나 수계 방식으로 제조되는 코팅 분리막의 연구는 제한적이다. 유기 용매를 사용하지 않으면 친환경적인 공정이 운영될 뿐만 아니라 용매에 대한 처리를 하지 않아 비용 감소의 효과를 얻을 수 있다. 이에 본 연구에서는 수계 세라믹 코팅법을 이용한 코팅 분리막 제조를 실시하였다. 또한 전지의 성능에 영향을 줄 수 있는 수분의 재흡수를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다.

리튬이차전지 제조 공정 폐액으로부터 알루미늄계 화합물 및 황산화 반응을 적용한 리튬화합물 제조 방법

박지윤 ( Ji-yoon Park ),김혜진 ( Hye-jin Kim ),서장현 ( Jang-hyun Seo ),김민찬 ( Min-chan Kim ),류태공 ( Tae-gong Ryu ),신준호 ( Junho Shin ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-

최근 전기차, 고용량 에너지 저장장치 관련 산업분야의 고도발전에 따라 핵심원료인 리튬자원에 대한 수요가 급증하고 있으며, 리튬자원은 제조되는 배터리의 조성에 따라 탄산리튬 및 수산화리튬 등의 화합물의 형태로 사용되고 있다. 특히 이차전지 양극재 제조공정에서 발생되는 세척 폐수양이 증가함에 따라 세척 폐수에 함유된 리튬을 재자원화하는 연구에 관심이 집중되고 있다. 1,000mg/L~2,000mg/L 정도로 낮은 함량으로 리튬을 함유한 세척 폐수를 재활용하는 연구는 감압농축법, 흡착법, 용매추출법, 침전법 등 다양한 기술이 제시되고 있으나 높은 공정운영비와 2차오염물질의 발생 등의 문제가 있어, 본 연구에서는 리튬이온 농축 방법을 통하여 공정운영비를 절감하고, 발생 폐기물을 최소화하는 습식 재활용 연구를 수행하였다. 본 연구는 알루미늄계 화합물을 이용한 침전법을 이용하여 리튬-알루미늄 화합물을 제조하고, 황산 용액을 이용하여 황산리튬으로 전환하여 반복 침출함으로써 용액 내 리튬 이온을 농축하였다. 알루미늄계 화합물은 Al powder, Al(OH)₂, NaAlO₂를 이용하였으며, NaAlO₂을 사용하였을 때 Li과 Al의 몰비 기준 1 : 1.8에서 가장 우수한 99.9% 이상의 회수율을 나타내었다. 제조된 리튬-알루미늄 화합물을 황산용액을 이용한 반복침출방법과 황산배소법을 통해 각각 리튬 농축액의 리튬이온 농도를 확인한 결과 3M 황산 반복침출의 경우 최대 5,000mg/L, 황산배소의 경우 약 30,000mg/L의 리튬 농축액을 제조하였다. 또한, 제조된 황산리튬 농축액은 Na₂CO₃를 이용하여 최종 제품인 탄산리튬을 제조할 수 있었다. 본 연구를 통해 고효율로 제조되는 리튬화합물을 양극재 원료용 소재로 활용하는 추가적인 사용 타당성 평가를 수행할 예정으로 향후 리튬소재의 국내 자원 선순환 사업모델을 제시할 수 있을것으로 기대하며, 이를 바탕으로 국내 제조-재활용 산업의 상생에 따른 산업구조의 발전에 이바지할 것으로 기대된다.