KR101803859B1

KR101803859B1 - 배터리 재료 회수용 처리장치

Info

Publication number: KR101803859B1
Application number: KR1020170101300A
Authority: KR
Inventors: 배연대; 박광제
Original assignee: 주식회사 현대특수로; 박광제; 배연대
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2017-12-04
Anticipated expiration: 2037-08-09

Abstract

사용 후 폐기되는 리튬이온 전지 등의 배터리에 포함된 재활용 재료의 회수율 및 경제성을 향상시키기 위하여, 본 발명은 배터리로부터 분리된 가연성 물질을 포함하는 재활용 대상물이 투입되어 가열수단에 의해 소성온도로 가열된 상태에서 회전식 교반되면서 소성되는 드럼 소성로를 포함하는 소성장치; 및 상기 드럼 소성로에서 소성된 상기 재활용 대상물을 동일 공간 내에서 급냉함과 동시에 분말로 크러싱하기 위한 입구부가 내부에 형성된 냉각회전드럼을 포함하는 냉각장치를 포함하는 배터리 재료 회수용 처리장치를 제공한다.

Description

배터리 재료 회수용 처리장치{apparatus for recycling metal of battery}

본 발명은 배터리 재료 회수용 처리장치에 관한 것으로서, 보다 세부적으로는 배터리에 포함된 재활용 재료의 회수율 및 경제성을 향상시키기 위한 배터리 재료 회수용 처리장치에 관한 것이다.

일반적으로 리튬이온 이차전지 등을 사용한 배터리는 핸드폰, 노트북 PC 내지 전기자동차 등의 밧데리를 포함한 전기기기의 전원공급용으로 사용되고 있다.

그러나, 사용 후 폐기되는 리튬이온 배터리는 환경오염에 큰 영향을 미치고 있으며, 이러한 리튬이온 이차전지의 제조에 사용되는 양극물질은 LiCoO₂ 분체에 도전체로서 아세틸렌블랙이나 카본을 포함한 각종 금속을 첨가하고, 결착제로서 불소수지를 혼합한 후 유기용제를 투입하여 제조된다.

이때 사용되는 리튬 및 코발트는 고가이므로 폐 리튬전지를 그대로 폐기할 경우 자원의 낭비와 환경오염의 심화를 초래한다. 따라서, 폐기되는 리튬이온 이차전지로부터 탄소, 코발트, 구리, 알루미늄 등과 같은 재료를 회수하려는 연구가 계속되고 있다.

종래의 일본 공개특허공보 평11-185834호에서는 고온의 산화성 분위기에서 폐리튬 이온전지 내에 존재하는 비닐 등의 가연성 물질을 제거하여 소성한 후, 체분리를 통해 분체만을 회수한 다음 화학수조에서 용해과정을 거쳐 코발트를 회수하는 기술을 공개하였으며 현장에서 다수 적용되기 위한 노력이 이루어지고 있다.

그러나, 고온의 산화성 분위기에서 폐 리튬 이온전지 내에 존재하는 가연성 물질을 제거하기 위해 소성하는 과정에서 수지 재질의 소성 후 잔존물질과 각종 금속이 응집되어 굳어 이후 분쇄과정에 많은 시간과 분쇄비용을 요하는 문제점이 있었다. 또한, 재활용 대상물이 미세하게 분말화되지 않은 경우에는 폐 리튬이온 이차전지로부터 리튬 내지 코발트 등의 재료 회수율이 현저히 낮아 경제성이 저하되는 문제점도 있었다.

일본 공개특허공보 평11-185834호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 사용 후 폐기되는 배터리에 포함된 재활용 재료의 회수율 및 경제성을 향상시키기 위한 배터리 재료 회수용 처리장치를 제공하는 것을 해결과제로 한다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 배터리로부터 분리된 가연성 물질을 포함하는 재활용 대상물이 투입되어 가열수단에 의해 소성온도로 가열된 상태에서 회전식 교반되면서 소성되는 드럼 소성로를 포함하는 소성장치; 및 상기 드럼 소성로에서 소성된 상기 재활용 대상물을 동일 공간 내에서 급냉함과 동시에 분말로 크러싱하기 위한 입구부가 내부에 형성된 냉각회전드럼을 포함하는 냉각장치를 포함하는 배터리 재료 회수용 처리장치를 제공한다.

여기서, 상기 드럼 소성로와 상기 냉각회전드럼은 상하방향으로 다단 배치되되 상기 드럼 소성로의 토출부와 상기 냉각장치의 입구부는 소성된 상기 재활용 대상물을 자중에 의해 이송시키는 연결관로에 의해 연결되며, 상기 드럼 소성로와 상기 냉각회전드럼을 회전시키는 회전구동부에 의해 회전되되 상기 드럼 소성로와 상기 냉각회전드럼은 각각 진행방향을 따라 하향 경사지게 배치됨이 바람직하다.

그리고, 상기 드럼 소성로 및 상기 냉각회전드럼은 각각 하부에 구비된 롤러지지수단에 의해 회전지지된 상태로 회전구동부에 의해 회전되되, 상기 롤러지지수단 및 상기 회전구동부는 상면부가 상기 재활용 대상물의 진행방향을 따라 하향 경사진 경사프레임의 상부에 구비됨이 바람직하다.

또한, 상기 드럼 소성로의 유입부에는 회전됨에 따라 상기 재활용 대상물을 유입시키는 나선형 이송날개 및 그의 외주를 감싸는 원통부를 포함하는 정량공급부가 구비되며, 상기 드럼 소성로의 내주에는 단부가 회전방향을 따라 구배진 교반날개가 반경방향으로 복수개 돌설됨이 바람직하다.

한편, 상기 입구부의 외벽에는 냉각수를 분사하는 냉각수 분사장치가 구비되며, 상기 입구부의 내부에 관통배치되는 크러싱축부의 외주에는 크러싱 날개가 원주방향 및 축방향을 따라 다단으로 배치되되, 상기 크러싱축부는 상기 냉각회전드럼과 독립적으로 회전됨이 바람직하다.

상기의 해결 수단을 통해서, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 상기 소성장치와 상기 냉각장치는 상하방향으로 다단 배치되되 소성된 재활용 대상물이 수직 연결관로를 통해 자중에 의한 낙하되어 상기 냉각장치로 별도의 이송장치 없이도 경제적으로 전달될 수 있으며, 연속적인 공정을 수행하는 상기 소성장치와 상기 냉각장치가 컴팩트한 작업공간 내에도 설치될 수 있다.

둘째, 상기 드럼소성로 및 상기 냉각회전드럼이 경사진 상태에서 회전됨에 따라 재활용 대상물이 점진적으로 이송되며, 이를 위한 회전구동부 및 롤러지지수단이 별도의 경사프레임의 상부에 배치되어 장치의 내구성 및 작동안정성이 개선될 수 있다.

셋째, 상기 냉각장치의 입구부로 유입된 상기 재활용 대상물에 대하여 동일 공간 내에서 간접 수냉방식으로 급속 냉각과 크러싱 날개의 회전에 따른 분쇄가 동일 공간 내에서 수행되어 분말화되므로, 후처리 공정에서 별도의 복잡한 분쇄공정 없이 미분화된 분말로부터 재활용 재료 회수율이 현저히 개선될 수 있다.

넷째, 상기 냉각 및 크러싱된 분말은 간접적인 공냉식 냉각유로부를 따라 회전 교반되면서 덩어리지지 않고 미분화된 분말로 최종 배출되므로 후가공처리 후 분리과정에서 재활용 재료의 회수율이 더욱 개선될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 재료 회수용 처리장치의 개요도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 소성장치의 측단면도.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 드럼 소성로와 회전구동부를 나타낸 종단면도.
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 드럼 소성로와 롤러지지수단을 나타낸 종단면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각장치의 측단면도.
도 5a는 도 4의 A-A' 방향의 단면을 나타낸 단면도.
도 5b는 도 4의 B-B' 방향의 단면을 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 재료 회수용 처리방법을 나타낸 흐름도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 재료 회수용 처리장치 및 방법을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 재료 회수용 처리장치의 개요도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 상기 배터리 재료 회수용 처리장치는 소성장치(100) 및 냉각장치(200)를 포함한다.

여기서, 상기 소성장치(100)에는 리튬이온 이차전지 등의 배터리로부터 분리된 재활용 대상물이 투입되어 가열수단에 의해 소성온도로 가열된 상태에서 회전식 교반되면서 소성되는 드럼 소성로(110)를 포함한다.

상세히, 상기 재활용 대상물은 배터리의 외부 케이스를 분리한 후 내부에 구비된 결착제로 사용되는 수지 등의 가연성 물질을 포함하는 내부전극을 분쇄 및 선별하여 획득되며, 1차 화학처리조에서 화학처리되어 케이크 형태의 블록으로 제공될 수 있다. 또한, 상기 소성온도는 상기 재활용 대상물에 포함된 비닐 수지 재질의 소성을 위한 위한 온도로서 바람직하게는 900℃ 부근으로 설정될 수 있다.

그리고, 상기 냉각장치(200)는 상기 드럼 소성로(110)에서 소성된 상기 재활용 대상물을 동일 공간 내에서 급냉하면서 분말로 크러싱하기 위한 입구부(201)가 내부에 형성된 냉각회전드럼(210)을 포함한다.

이때, 상기 소성장치(100)와 상기 냉각장치(200)는 상하방향으로 다단 배치되되 상기 드럼 소성로(110)의 토출부(160)와 상기 냉각장치(200)의 입구부(210)는 소성된 상기 재활용 대상물을 자중에 의해 이송시키는 연결관로(190)에 의해 연결된다.

따라서, 상기 재활용 대상물이 드럼 소성로(110)로 투입되어 회전식 교반되면서 소성된 이후에 상기 토출부(160)를 통해 배출되면 자중에 의해 낙하되어 상기 냉각장치의 입구부(201)로 자동적으로 유입될 수 있다.

이와 같이, 상기 소성장치(100)와 상기 냉각장치(200)는 상하방향으로 다단 배치되되 재활용 대상물이 수직 연결관로(190)를 통해 전달되므로, 별도의 컨베이어 벨트 등의 이송장치가 필요없다. 또한, 소성단계와 크러싱(분쇄)과정을 포함한 냉각단계를 수행하는 장치가 상하 다단으로 배치되므로 컴팩트한 작업공간 내에 경제적으로 설치될 수 있다.

한편, 상기 드럼 소성로(110)와 상기 냉각회전드럼(210)은 각각 회전구동부에 의해 회전되되 상기 드럼 소성로(110)와 상기 냉각회전드럼(210)은 각각 상기 재활용 대상물의 진행방향을 따라 2~5°의 각도로 하향 경사지게 배치된다. 따라서, 상기 드럼 소성로(110)와 상기 냉각회전드럼(210)이 회전됨에 따라 재활용 대상물은 경사면을 따라 점진적으로 전진 이송될 수 있다. 바람직하게는 상기 드럼 소성로(110)와 상기 냉각회전드럼(210)은 각각 진행방향을 따라 3°의 각도로 하향 경사지게 배치될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 소성장치의 측단면도이며, 도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 드럼 소성로와 회전구동부를 나타낸 종단면도이고, 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 드럼 소성로와 롤러지지수단을 나타낸 종단면도이다.

도 2 내지 도 3b에서 보는 바와 같이, 상기 소성장치(100)는 제1회전구동부(130), 제1롤러지지수단(141,142), 가열수단(150) 및 드럼 소성로(110)를 포함한다.

여기서, 상기 드럼 소성로(110)의 내벽면에 내부를 소성온도로 가열하기 위한 가열수단(150)은 상기 드럼소성로(110)의 내주면부에 밀착되어 구비됨이 바람직하다. 상기 가열수단(150)은 전기적으로 열원이 가열되는 전기식 세라믹 히터 등으로 구비될 수 있다.

그리고, 상기 드럼 소성로(110)의 유입부에는 회전됨에 따라 상기 재활용 대상물을 유입시키는 나선형 이송날개(122) 및 그의 외주를 감싸는 원통부(121)를 포함하는 정량공급부(120)가 구비된다.

이때, 상기 나선형 이송날개(122)는 구동모터(125)와 벨트 및 풀리 결합부(126)를 통해 회전력을 전달받아 회전된다. 상기 나선형 이송날개(122)가 정방향 회전되면 상측의 투입구를 통해 유입되는 상기 재활용 대상물이 상기 드럼 소성로(110) 내부로 공급되되, 상기 나선형 이송날개(122)의 회전수를 조절하여 재활용 대상물의 공급량이 조절될 수 있다.

도 2 및 도 3a를 참조하면, 상기 드럼 소성로(110)는 제1회전구동부(130)에 의해 회전되되, 상기 제1회전구동부(130)는 상기 드럼 소성로(110)의 하측에 안착된 모터로 구비될 수 있다.

여기서, 상기 드럼 소성로(110)는 전체적으로 원통형으로 형성되며 그의 외주에 원통형 랙이 구비되고, 상기 제1회전구동부(130)의 회전축에는 피니언이 형성된다. 따라서, 상기 랙 및 피니언 결합부(131)의 기어결합에 의해 상기 회전구동부(130)의 회전력이 전달되어 상기 드럼 소성로(110)가 회전된다.

도 2 및 도 3b를 참조하면, 상기 드럼 소성로(110)의 전방부 및 후방부는 제1롤러지지수단(141,142)에 의해 회전 지지되는데, 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 각 제1롤러지지수단(141,142)은 각각 상기 드럼 소성로(110)의 하부측 외주면을 양측에서 지지하는 한쌍의 롤러를 포함함이 바람직하다.

또한, 전술된 바와 같이 상기 드럼 소성로(110)는 상기 재활용 대상물의 진행방향을 따라 하향 경사지게 배치된다. 이와 같이, 경사지게 배치되는 상기 드럼 소성로(110)를 지지하기 위하여 상기 제1회전구동부(130) 및 상기 제1롤러지지수단은(141,142) 상기 하향 경사각도에 대응되도록 상면이 경사진 경사프레임(145)의 상면에 구비됨이 바람직하다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 드럼 소성로(110)의 내주에는 단부가 회전방향을 따라 구배진 교반날개(115)가 반경방향으로 복수개 돌설된다. 따라서, 상기 소성온도로 가열되는 재활용 대상물의 가연성 물질은 점도가 높은 상태로 변화되며, 상기 드럼 소성로(110) 내에서 재활용 대상물은 진행방향을 따라 후방측으로 갈수록 소성과정에 더욱 진행되어 점도가 낮아진다.

이때, 상기 재활용 대상물은 상기 교반날개(115)의 단부에 걸려 상측으로 회전되면서 상승하다가 자중에 의해 낙하되면서 흩뿌려져 큰 덩어리로 뭉치는 것이 방지될 수 있다.

이와 같이, 상기 재활용 대상물은 상기 드럼 소성로(110) 내부에서 850~950 ℃ 온도범위에서 50~90분간 경사면을 따라 소성되면서 서서히 이송됨이 바람직하다. 이후, 소성된 재활용 대상물은 토출부(160)로 배출되고, 연결관로(190)를 통해 냉각장치의 유입부로 자중에 의해 낙하되어 전달된다.

한편, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각장치의 측단면도이고, 도 5a는 도 4의 A-A' 방향의 단면을 나타낸 단면도이며, 도 5b는 도 4의 B-B' 방향의 단면을 나타낸 단면도이다.

도 4에서 보는 바와 같이, 상기 냉각장치(200)는 냉각회전드럼(210), 크러싱축부(220), 크러싱 날개(221), 그리고 냉각수 분사장치(215)를 포함한다.

여기서, 상기 냉각회전드럼(210)의 전방부에는 내부에 상기 소성장치로부터 소성된 상기 재활용 대상물을 투입받는 입구부(201)가 형성되며, 제2회전구동부(230)에 의해 회전되도록 구비된다. 상기 냉각회전드럼(210)과 제2회전구동부(230) 및 제2롤러지지수단(241,242)의 연결관계를 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명된 상기 드럼 소성로와 제1회전구동부 및 롤러지지수단의 연결관계와 동일하므로 도시를 생략한다.

상세히, 상기 냉각회전드럼(210)은 제2회전구동부(230)에 의해 회전되되, 상기 제2회전구동부(230)는 상기 냉각회전드럼(210)의 하부에 안착된 모터로 구비될 수 있다. 여기서, 상기 냉각회전드럼(210)은 전체적으로 원통형으로 형성되며 그의 외주에 원통형 랙이 구비되고, 상기 모터의 회전축에는 피니언이 형성된다. 따라서, 상기 랙 및 피니언 결합부(231)의 기어결합에 의해 상기 제2회전구동부(230)의 회전력이 전달되어 상기 냉각회전드럼(210)이 회전된다.

그리고, 상기 냉각회전드럼(210)의 전방부 및 후방부는 제2롤러지지수단(241,242)에 의해 회전 지지되는데, 상기 각 제2롤러지지수단(241,242)은 상기 냉각회전드럼(210)의 하부측 외주면을 양측에서 지지하는 한쌍의 롤러를 포함함이 바람직하다.

또한, 전술된 바와 같이 상기 냉각회전드럼(210)은 상기 재활용 대상물의 진행방향을 따라 하향 경사지게 배치된다. 이와 같이, 경사지게 배치되어야 하는 상기 냉각회전드럼(210)을 지지하기 위하여 상기 제2회전구동부(230) 및 상기 제2롤러지지수단(241,242)은 상기 하향 경사각도에 대응되도록 상면이 경사진 제2경사프레임(245)의 상면에 구비됨이 바람직하다.

이와 같이, 상기 드럼소성로(110) 및 상기 냉각회전드럼(210)이 경사진 상태에서 회전됨에 따라 재활용 대상물이 점진적으로 이송되며, 이를 위한 회전구동부 및 롤러지지수단이 별도의 경사프레임의 상부에 배치되어 장치의 내구성 및 작동안정성이 개선될 수 있다.

한편, 상기 크러싱축부(220)는 상기 냉각회전드럼(210)의 전방측 내부에 형성되는 입구부(201)를 관통 배치되되 상기 냉각회전드럼(210)과 독립적으로 회전된다. 이를 위해, 상기 크러싱축부(220)는 별도의 크러싱모터(225)와 벨트 및 풀리 결합부(226)를 통해 회전력을 전달받아 상기 냉각회전드럼(210)과 독립적으로 회전된다. 이때, 상기 크러싱축부(220)는 상기 냉각회전드럼(210)의 회전방향과 상호 반대방향으로 회전될 수 있도록 구비됨이 바람직하다.

그리고, 상기 크러싱축부(220)의 외주에는 원주방향 및 축방향을 따라 복수개소에 이격 돌설되어 상기 재활용 대상물을 분쇄하는 크러싱 날개(221)가 구비된다. 여기서, 상기 크러싱 날개(221)는 상기 크러싱축부(220)에 결합된 크러싱돌기(222)와, 상기 크러싱돌기(222)에 상호 이격되어 연결되는 복수개의 분쇄날부(223)를 포함함이 바람직하다.

이때, 상기 크러싱축부(220)가 고속 회전시 상기 분쇄날부(223)가 상기 재활용 대상물을 분말로 분쇄하도록 상기 크러싱돌기(222)에 결합됨이 바람직하다. 또한, 분쇄된 분말을 후방측으로 가압 이송되도록 상기 분쇄날부(223)는 회전방향을 기준으로 선단부가 전진방향을 향하도록 기설정된 각도 경사지게 배열됨이 바람직하다.

물론, 상기 크러싱 날개(221)는 점성이 높은 상기 재활용 대상물이 뭉치지 않도록 분쇄 내지 으깨는 구조로 제공되며, 이러한 기능을 수행하기 위한 구조로 다양한 형상 및 구조로 변형될 수도 있다.

그리고, 상기 냉각회전드럼(210)의 입구부(201) 외면에는 냉각수를 분사하는 냉각수 분사장치(215)가 구비된다. 상세히, 상기 냉각수 분사장치(215)는 반밀폐된 환형 원통형 박스부(216)와, 상기 입구부(201) 외면을 향해 냉각수를 분사하는 냉각수노즐(217)을 포함함이 바람직하다.

따라서, 상기 냉각수노즐(217)을 통해 분사되는 냉각수에 의해 상기 입구부(201)가 간접적인 수냉식으로 급냉되며, 상기 냉각수는 상기 박스부에 수집되어 열교환 후 배출되어 재수집되어 펌프(미도시)에 의해 냉각수노즐(217)을 통해 재분사되도록 순환될 수 있다.

한편, 상기 연결관로(190)의 하단은 상기 크러싱축부(220)의 중앙부 내지 상기 크러싱 날개(221)를 향하여 배치됨이 바람직하며, 상기 연결관로(190)를 통해 유입되는 상기 재활용 대상물은 유입되자마자 고속 회전되는 크러싱 날개(221)에 의해 분쇄되면서 급속히 냉각된다. 즉, 상기 입구부(201) 내부의 재활용 대상물은 상기 냉각수에 의해 냉각되는 입구부(201) 벽면 등을 경유하여 간접적으로 수냉된다.

이때, 상기 크러싱축부(220)가 상기 냉각회전드럼(210)과 반대방향으로 회전되면, 상기 재활용 대상물은 상기 입구부(201) 내부에서 압축되면서 분쇄되므로 분쇄효과가 상승될 수 있다.

상세히, 상기 소정장치에서 소성된 가연성 물질이 함유되어 점성이 높은 재활용 대상물이 냉각과정에서 덩어리로 굳는 것을 방지하기 위하여 동일 공간 내에서 실질적으로 동시에 급냉 및 분쇄가 수행된다. 즉, 상기 재활용 대상물에 대하여 상기 입구부(201)라는 동일 공간 내에서 냉각수 분사장치(215)에 의한 간접 수냉방식의 급속 냉각 처리와 크러싱 날개(221)의 회전에 따른 분쇄처리가 실질적으로 동시에 수행된다.

이를 통해, 상기 재활용 대상물은 급냉되면서 분쇄되어 분말화되며, 후처리 공정에서 분쇄과정 시간을 최대한 단축할 수 있고 후처리 공정에서 별도의 복잡한 분쇄공정 없이도 미분화된 재활용 대상물로부터의 재료 회수율이 현저히 개선될 수 있다.

더욱이, 상기 입구부(201) 내경은 진행방향을 따라 열전도율이 높은 알루미늄 등의 금속재질로 구비된 냉각블록(218)에 의해 내경이 협소화됨이 바람직하다. 상세히, 상기 입구부(201)의 내경이 진행방향을 따라 협관되도록 복수개의 냉각블록(218)이 다단 배치된다.

따라서, 냉각수에 의한 열흡수를 통한 냉각효과가 유지되도록 상기 크러싱 날개(221)의 외경과 상기 입구부(201)에 배치된 냉각블록(218)의 내경 사이의 간격이 진행방향을 따라 협소화된다.

이를 통해, 상기 입구부(201) 후단측에서 상기 크러싱 날개(221)와 상기 냉각블록(218) 사이의 간격이 좁혀지므로 설혹 재활용 대상물이 뭉쳐진 경우에도 그대로 통과되지 않고 상기 크러싱 날개(221)에 의해 잘게 분쇄된 후에야 비로소 통과될 수 있다.

한편, 상기 입구부(201) 후방측 상기 냉각회전드럼(210) 내부에는 상기 입구부(201)에서 급냉과 동시에 분쇄된 분말이 유입되는 냉각유로부(260)가 구비된다.

도 4 내지 도 5b를 참조하면, 상기 냉각유로부(260)는 상기 입구부(201)의 후단측과 연통되되 축방향을 따라 길게 연장된 형태로 구비된다.

상세히, 상기 냉각유로부(260)는 상기 냉각회전드럼(210) 내면부에 원주방향을 따라 복수개 구획되어 연결되되, 중앙부에는 공기배출관부(275)가 형성된다. 따라서, 상기 냉각유로부(260)는 공기배출관부(275)의 주위에 기설정된 각도 간격을 두고 방사상으로 복수개소 분할되어 배치되며, 각 냉각유로부(260)의 외주에는 송풍장치(270)로부터 송풍되는 냉각공기통로(261)가 밀착되어 결합된다. 이때, 상기 공기배출관부(275)의 전단부는 상기 크러싱축부(220)가 연결되어 회전 지지됨이 바람직하다.

따라서, 상기 입구부(201)에서 급냉 및 분쇄된 재활용 대상물의 분말은 경사지게 배치된 냉각회전드럼(210)이 회전됨에 따라 원주방향을 따라 분할된 각 냉각유로부(260)로 순차적으로 유입된다. 이때, 상기 송풍장치(270)에서 송풍된 공기는 상기 냉각유로부(260)의 외곽 일부를 감싸도록 구비된 덕트형 냉각공기통로(261)를 지나면서 상기 분말과 열교환을 통해 열을 흡수하여 순환된 후 외부로 배출된다.

이와 같은 과정을 통하여 상기 재활용 분말이 서서히 냉각된 후 상기 냉각회전드럼(210)의 후단부에서 하측으로 낙하되어 배출된다. 즉, 상기 냉각유로부(260) 내부의 재활용 분말은 상기 공기에 의해 냉각되는 냉각유로부(260) 벽면과의 열전달을 통해 간접적으로 공냉된다.

이때, 상기 공기는 냉각공기통로(261)의 후단부로부터 전단부측으로 유동하다가 전방부에 형성된 연통공(276)을 통해 공기배출관부(275)로 유입된다. 이후 상기 공기배출관부(275)의 후단을 통해 외부로 배출된다.

한편, 상기 냉각공기통로(261)는 후방부로부터 전방부를 향하여 나선형 흐름을 유도하도록 단면형상이 축방향을 따라 변화됨이 바람직하다.

도 5a에서 보는 바와 같이, 도 4의 A-A' 단면에서 상기 냉각공기통로(261)는 방사상으로 복수개 구획되어 배치된 상기 각 냉각유로부(260)를 감싸도록 구비된다. 이때, 상기 냉각공기통로(261)는 상기 각 냉각유로부(260)의 외주면 중 상기 공기배출관부(275)와의 대향되는 중심부 영역에 배치된다.

반면에, 도 5b에서 보는 바와 같이, 도 4의 B-B' 단면에서는 상기 냉각공기통로(261)는 상기 각 냉각유로부(260)의 외주면 중 상기 공기배출관부(275)의 반대편측에 배치된다. 즉, 상기 냉각공기통로(261)는 냉각회전드럼(210) 내부공간의 외곽측을 감싸도록 구비된다.

이와 같이, 상기 냉각공기통로(261)는 후단으로부터 전단을 향하여 상기 냉각유로부(260)를 감싸되 내부에 유동되는 공기의 나선형 흐름을 유도하도록 단면형상이 축방향을 따라 연속적으로 변화되도록 구비된다. 상세히, 상기 냉각공기통로(261)는 후단으로부터 전단을 향하면서 상기 각 냉각유로부(260)의 외면을 나선형으로 감싸는 형태로 구비되며, 이를 통해 내부를 통과하는 공기가 축방향을 따라 나선형 흐름으로 유도되는 단면형상으로 구비된다.

따라서, 상기 냉각공기통로(261)를 지나는 공기의 흐름이 나선형태로 변화되면서 난류화되어 상기 냉각유로부(260) 내부에서 이송되는 분말과의 열교환을 더욱 효율적으로 촉진하여 열전달 효율 및 냉각효율이 개선될 수 있다.

이와 같이, 상기 냉각회전드럼(210)의 후방부 외주에 구비된 송풍장치(270)로부터 송풍되는 공기는 유동되면서 상기 냉각유로부(260) 내부로 이송되는 재활용 분말로부터 열을 흡수한 후 전방측에 형성된 연통공(276)을 통해 공기배출관부(275)로 유입된 후 외부로 배출된다. 이와 동시에, 상기 냉각유로부(260) 내에서 간접적인 공냉식 냉각과정을 통해 상기 재활용 분말은 회전 교반되면서 서서히 냉각된 후 상기 냉각회전드럼(210)의 후단을 통해 낙하되어 토출된다.

이때, 상기 냉각유로부(260) 내에서 재활용 분말이 회전 교반되므로 추가적인 응집이 최대한 방지되어 최종 토출물은 복잡한 분쇄공정이 필요없이 후가공이 용이한 분말 형태로 제공될 수 있다. 이와 같이 토출된 재활용 분말은 후가공처리 후 2차 화학처리조 및/또는 자성에 의한 분리장치에 의해 탄소, 구리, 리튬, 코발트 등의 재활용 재료물질이 효율적으로 분리될 수 있다.

더욱이, 전체적으로 재활용 대상물이 소성과정에서 덩어리지지 않고 미분화된 분말로 배출되므로 후가공처리 후 분리과정에서 재활용 물질의 회수율이 현저히 개선될 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 재료 회수용 처리방법을 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 재료 회수용 처리방법을 나타낸 흐름도이다.

도 1 내지 도 6에서 보는 바와 같이, 리튬이온 전지 등의 배터리로부터 외부케이스가 분리된 수지 등의 가연성 물질을 포함한 내부전극을 포함하는 재활용 대상물을 드럼 소성로(110)에 투입하여 상기 가연성 물질을 소성하기 위한 소성온도에서 회전식 교반하면서 소성한다(s10).

여기서, 상기 내부전극은 분쇄 및 선별하여 획득되되, 1차 화학처리조에서 화학처리되어 케이크 형태의 블록으로 제공될 수 있다. 또한, 상기 소성온도는 상기 재활용 대상물에 포함된 비닐 수지 재질의 소성을 위한 위한 온도로서 바람직하게는 900℃ 부근으로 설정될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 소성과정은 850~950 ℃ 온도범위에서 50~90분간 진행될 수 있다.

이때, 상기 드럼 소성로(110)는 회전구동장치에 의해 회전되도록 구비되되 소정각도 진행방향을 따라 하향 경사지게 배치됨으로써 회전과 동시에 상기 재활용 대상물을 후단부측으로 점진적으로 이송하도록 구비될 수 있다.

이후, 소성된 상기 재활용 대상물을 동일 공간 내에서 급냉하면서 분말로 크러싱 처리과정이 실질적으로 동시에 수행된다(s20). 이때, 상기 드럼 소성로(110)로부터 토출되는 재활용 대상물은 냉각장치(200)의 입구부(201) 중앙에 다단으로 구비되어 고속회전되는 크러싱 날개(221)를 향해 토출되며, 상기 재활용 대상물은 냉각됨과 동시에 상기 크러싱 날개(221)에 의해 미분화되어 분말로 분쇄된다.

여기서, 냉각과정은 상기 급냉 및 분쇄가 수행되는 동일 공간인 상기 입구부(201)의 외벽에 냉각수가 분사되어 간접적으로 수냉되는 방식으로 이루어짐이 바람직하다.

상세히, 상기 소성장치(100)에서 소성된 가연성 물질이 함유되어 점성이 높은 상기 재활용 대상물은 냉각되는 과정에서 쉽게 덩어리로 굳을 수 있으나, 상기 입구부(201)로 유입된 상기 재활용 대상물에 대하여 동일 공간 내에서 간접 수냉방식으로 급속 냉각 처리와 크러싱 날개의 고속 회전에 따른 분쇄처리가 동일 공간 내에서 실질적으로 동시에 수행된다.

이를 통해, 상기 재활용 대상물은 급냉되면서 분쇄되어 분말화되며, 후처리 공정에서 분쇄과정 시간을 최대한 단축할 수 있고 후처리 공정에서 별도의 복잡한 분쇄공정 없이도 미분화된 재활용 분말로부터의 재료 회수율이 현저히 개선될 수 있다.

다음으로, 상기 크러싱된 분말을 냉각 이송한다(s30). 이때, 상기 분말은 외부 공기와의 열전달에 의해 공냉되는 냉각유로부(260) 내에서 회전식 교반되면서 이송됨이 바람직하다. 즉, 상기 냉각유로부(260)는 냉각회전드럼(210)의 내부에 함께 회전되도록 구비되되 소정각도 진행방향을 따라 하향 경사지게 배치됨으로써 회전과 동시에 상기 분말을 후단부측으로 점진적으로 이송하도록 구비될 수 있다.

이를 통해, 상기 냉각유로부(260) 내에서 재활용 분말이 회전 교반되므로 추가적인 응집이 최대한 방지되어 소성 및 냉각을 복합적으로 처리하는 본 발명의 배터리 재료 회수용 처리장치의 최종 토출물은 복잡한 분쇄공정이 필요없이 후처리가 용이한 분말 형태로 제공될 수 있다.

한편, 냉각 이송된 상기 분말을 후가공하고 금속물질을 분리한다(s40). 전술된 바와 같이, 냉각 이송되어 토출된 재활용 분말은 후가공처리 후 2차 화학처리조 및/또는 자성에 의한 분리장치에 의해 탄소, 구리, 리튬, 코발트 등의 재활용 재료가 효율적으로 분리될 수 있다.

더욱이, 재활용 대상물이 소성과정에서 덩어리지지 않고 미분화된 분말로 배출되므로 후가공처리 후 분리과정에서 재활용 재료의 회수율이 현저히 개선될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 배터리 재료 회수용 처리장치는 리듐 배터리의 재료 회수 용도에 국한하지 않고 다른 분말의 소성 및 냉각에도 적용 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구하는 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형 실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형 실시는 본 발명의 범위에 속한다.

100: 소성장치 110: 드럼 소성로
120: 정량공급장치 130: 제1회전구동장치
150: 가열수단 190: 연결관로
200: 냉각장치 210: 냉각회전드럼
201: 입구부 215: 냉각수 분사장치
220: 크러싱축부 221: 크러싱 날개
225: 크러싱모터 230: 제2회전구동장치
260: 냉각유로부 261: 냉각공기통로
270: 송풍장치 275: 공기배출관부
276: 연통공

Claims

배터리로부터 분리된 가연성 물질을 포함하는 재활용 대상물이 투입되어 가열수단에 의해 소성온도로 가열된 상태에서 회전식 교반되면서 소성되는 드럼 소성로를 포함하는 소성장치; 및
상기 드럼 소성로에서 소성된 상기 재활용 대상물을 동일 공간 내에서 급냉함과 동시에 분말로 크러싱하기 위한 입구부가 내부에 형성된 냉각회전드럼을 포함하는 냉각장치를 포함하되,
상기 드럼 소성로와 상기 냉각회전드럼은 상하방향으로 다단 배치되되 상기 드럼 소성로의 토출부와 상기 냉각장치의 입구부는 소성된 상기 재활용 대상물을 자중에 의해 이송시키는 연결관로에 의해 연결되며,
상기 드럼 소성로와 상기 냉각회전드럼을 회전시키는 회전구동부에 의해 회전되되 상기 드럼 소성로와 상기 냉각회전드럼은 각각 진행방향을 따라 하향 경사지게 배치됨을 특징으로 하는 배터리 재료 회수용 처리장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 드럼 소성로 및 상기 냉각회전드럼은 각각 하부에 구비된 롤러지지수단에 의해 회전지지된 상태로 회전구동부에 의해 회전되되,
상기 롤러지지수단 및 상기 회전구동부는 상면부가 상기 재활용 대상물의 진행방향을 따라 하향 경사진 경사프레임의 상부에 구비됨을 특징으로 하는 배터리 재료 회수용 처리장치.
제 1 항에 있어서,
상기 드럼 소성로의 유입부에는 회전됨에 따라 상기 재활용 대상물을 유입시키는 나선형 이송날개 및 그의 외주를 감싸는 원통부를 포함하는 정량공급부가 구비되며,
상기 드럼 소성로의 내주에는 단부가 회전방향을 따라 구배진 교반날개가 반경방향으로 복수개 돌설됨을 특징으로 하는 배터리 재료 회수용 처리장치.
제 1 항에 있어서,
상기 입구부의 외벽에는 냉각수를 분사하는 냉각수 분사장치가 구비되며, 상기 입구부의 내부에 관통배치되는 크러싱축부의 외주에는 크러싱 날개가 원주방향 및 축방향을 따라 다단으로 배치되되,
상기 크러싱축부는 상기 냉각회전드럼과 독립적으로 회전됨을 특징으로 하는 배터리 재료 회수용 처리장치.