KR20120021256A - Method of leaching cathode active material - Google Patents
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Abstract
본 발명의 과제는, 리튬 이온 2차 전지의 정극 활물질로부터 효율적으로 니켈, 코발트, 망간, 리튬을 침출시켜, 각각의 금속을 분리하는 데 적합한 액성의 용액을 얻는 것이다.
본 발명은, 적어도 망간을 포함하는 천이 금속으로 구성된 복합 산화물로 이루어지는 리튬 이온 전지의 정극 활물질로부터 유가 금속을 회수하는 방법에 있어서, 황산을 첨가한 수용액 중에 있어서, 상기 정극 활물질 중 황산 용액에 가용성인 성분을 용해하는 제1 공정과, 제1 공정 후, 고액 분리하지 않고 황산 침출 슬러리 용액에 과산화수소를 첨가하여, 황산 침출 슬러리 중에 잔류하는 미침출 성분을 더 침출시키는 제2 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 정극 활물질의 침출 방법이다.An object of the present invention is to efficiently leach nickel, cobalt, manganese and lithium from the positive electrode active material of a lithium ion secondary battery, thereby obtaining a liquid solution suitable for separating each metal.
The present invention is a method for recovering a valuable metal from a positive electrode active material of a lithium ion battery composed of a complex oxide composed of a transition metal containing at least manganese, wherein the aqueous solution to which sulfuric acid is added is soluble in a sulfuric acid solution in the positive electrode active material. And a second step of dissolving the component and a second step of further leaching the unleached component remaining in the sulfuric acid leaching slurry by adding hydrogen peroxide to the sulfuric acid leaching slurry solution without solid-liquid separation after the first step. It is a leaching method of the positive electrode active material.
Description
본 발명은, 적어도 망간을 포함하는 천이 금속으로 구성된 복합 산화물로 이루어지는 리튬 이온 전지의 정극 활물질로부터 유가 금속을 침출시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for leaching valuable metals from a positive electrode active material of a lithium ion battery composed of a complex oxide composed of a transition metal containing at least manganese.
정극 활물질의 침출 방법으로서, 일본 특허 출원 공개 평10-287864호(특허 문헌 1)에 무기산과 과산화수소에 의한 침출 방법이 있지만, 정극 활물질 중의 금속에 대해, 몰비로 1 내지 5배의 무기산, 과산화수소를 각각 사용하고 있다. 이 방법에서는, 무기산이나 과산화수소가 과잉이므로, 침출 후에 다량의 산이나 과산화수소가 침출 후액 중에 잔류하게 된다. 따라서 후공정에서 용매 추출 등의 분리 공정을 더 마련하는 경우, 잔류한 산을 중화시키기 위해, 중화 약제를 첨가할 필요가 발생한다. 또한, 잔류한 과산화수소는, 용매 추출에서는 추출 용매를 산화시킴으로써 열화시킬 우려가 있다. 이로 인해, 용매 추출 전에 미리 제거해 두는 것이 바람직하지만, 침출액으로부터 과산화수소를 제거하는 약제가 필요해진다.As a method of leaching the positive electrode active material, Japanese Patent Application Laid-open No. Hei 10-287864 (Patent Document 1) has a leaching method using an inorganic acid and hydrogen peroxide, but an inorganic acid and hydrogen peroxide of 1 to 5 times in molar ratio with respect to the metal in the positive electrode active material. We use each. In this method, since inorganic acid and hydrogen peroxide are excessive, a large amount of acid or hydrogen peroxide will remain in the leaching liquid after leaching. Therefore, when further providing a separation process such as solvent extraction in a later step, it is necessary to add a neutralizing agent in order to neutralize the remaining acid. In addition, the residual hydrogen peroxide may deteriorate by oxidizing the extraction solvent in solvent extraction. For this reason, although it is preferable to remove beforehand solvent extraction, the chemical | medical agent which removes hydrogen peroxide from a leach liquid is needed.
일본 특허 출원 공개 제2007-122885호 공보(특허 문헌 2)에는, 리튬 이온 전지의 리사이클시에, 정극 활물질 등에 포함되는 리튬, 니켈, 코발트 등의 유가 금속을, 황산을 사용하여 침출하고, 또한 카본 등의 고정 탄소 함유물에 의해 침출을 촉진하는 기술이 기재되어 있다.In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-122885 (Patent Document 2), valuable metals such as lithium, nickel, and cobalt contained in a positive electrode active material and the like are leached using sulfuric acid during recycling of a lithium ion battery. Techniques for promoting leaching with a fixed carbon content such as are described.
일본 특허 출원 공개 평11-167936호 공보(특허 문헌 3)에는, 소기의 과제가 해결되는 구체적인 형태로서, 염산을 사용하여, 정극 활물질을 침출하는 방법이 기재되어 있다.Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-167936 (Patent Document 3) describes a method of leaching a positive electrode active material using hydrochloric acid as a specific form in which desired problems are solved.
일본 특허 출원 공개 제2008-231522호 공보(특허 문헌 4)에는, 폐리튬 전지 찌꺼기로부터 염산 또는 황산에 의해 망간, 코발트, 니켈을 침출 후에, 이 침출액으로부터 용매 추출을 행하여, 망간, 코발트-니켈을 분리하는 방법이 개시되어 있다.In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-231522 (Patent Document 4), after leaching manganese, cobalt, and nickel with hydrochloric acid or sulfuric acid from waste lithium battery residues, solvent extraction is carried out from this leaching solution to form manganese and cobalt-nickel. A method of separating is disclosed.
특허 문헌 1에 기재된 방법에 따르면, 정극 활물질을 침출시키기 위해, 산이나 과산화수소 등을 과잉으로 필요로 하는 데 더하여, 침출 후의 용액을 취급하기 전에 중화제, 환원제에 의한 처리가 별도 필요하다고 하는 과제가 있다. 또한, 특허 문헌 2에 기재된 방법에 따르면, 흡착 물질로서 고정 탄소 함유물의 사용이 필수이고, 이 함유물에 의한 침출 촉진 효과가, 모든 정극 활물질에 적용되는 것이 아니라, 고정 탄소 함유물에 흡착 가능한 것으로 제한되므로, 회수의 대상으로 되는 정극 활물질이 제한된다고 하는 과제가 있다. 또한, 특허 문헌 3에 구체적으로 기재된 방법과 같이, 정극 활물질의 침출시에 염산을 사용하면, 침출 반응 중에 염소 가스가 발생할 가능성이 있어, 바람직하지 않다고 하는 문제가 있다.According to the method described in
또한, 특허 문헌 4에 기재된 방법과 같이, 침출 후액을 용매 추출에 이용하는 경우는, 높은 원자가의 망간 이온이 역추출되기 어려워, 역추출시에 유기상에 잔류하는 경우가 있고, 이 경우 망간 이온이 잔류한 채 유기상은 추출에 반복 사용되게 되어, 귀금속의 회수라고 하는 관점에서는 그다지 바람직하다고는 할 수 없는 경우가 있다고 하는 과제가 있다.In addition, when the leaching liquor is used for solvent extraction as in the method described in
본 발명은 이들 문제점에 비추어, 리튬 이온 2차 전지의 정극 활물질로부터 유가 금속을 효율적으로 침출시키는 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. 또한, 또 다른 관점에서, 각각의 이온종을 분리하는 데 적합한 액성의 용액에 약제를 사용하지 않고 조제하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In view of these problems, an object of the present invention is to provide a method for efficiently leaching valuable metals from a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery. In another aspect, an object of the present invention is to provide a method for preparing a liquid solution suitable for separating each ionic species without using a medicament.
본 발명자는, 정극 활물질을 황산에 의해 침출시킨 후, 과산화수소를 사용함으로써, 침출에 필요로 하는 황산, 과산화수소의 양을 종래의 기술보다 삭감하면서 높은 침출 효율을 달성할 수 있는 것을 발견하고, 나아가서는 침출 후의 용액에 정극 활물질을 첨가함으로써, 중화제나 환원제 등의 약제를 첨가하는 일 없이, 용액 중의 망간 이온을 2가로 환원하고, 잔류하는 산을 소비시키거나 하여, 용매 추출법 등의 이온종의 분리 방법에 바람직한 액성의 용액을 얻는 방법을 발견하였다.MEANS TO SOLVE THE PROBLEM This inventor discovers that after leaching a positive electrode active material with sulfuric acid and using hydrogen peroxide, it can achieve high leaching efficiency, reducing the quantity of sulfuric acid and hydrogen peroxide required for leaching, compared with a conventional technique. By adding a positive electrode active material to the solution after leaching, manganese ions in the solution are reduced to divalent and the remaining acid is consumed without adding a chemical agent such as a neutralizing agent or a reducing agent. A method of obtaining a preferred liquid solution was found.
본 발명은 상기 지식을 기초로 완성되고, 다음에 나타내는 특징을 구비한 리튬 이온 전지의 정극 활물질을 침출시키는 방법이다.This invention is completed based on the said knowledge, and is a method of leaching the positive electrode active material of the lithium ion battery provided with the following characteristic.
(1) 적어도 망간을 포함하는 천이 금속으로 구성된 복합 산화물로 이루어지는 리튬 이온 전지의 정극 활물질로부터 유가 금속을 침출시키는 방법에 있어서,(1) A method of leaching a valuable metal from a positive electrode active material of a lithium ion battery composed of a complex oxide composed of a transition metal containing at least manganese,
황산을 첨가한 수용액 중에 있어서, 상기 정극 활물질 중 황산 용액에 가용성인 성분을 용해하는 제1 공정과,1st process which melt | dissolves the component which is soluble in the sulfuric acid solution in the said positive electrode active material in the aqueous solution which added sulfuric acid,
제1 공정 후, 고액 분리하지 않고, 황산 침출 슬러리 용액에 과산화수소를 첨가하여, 황산 침출 슬러리 중에 잔류하는 미침출 성분을 더 침출시키는 제2 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 정극 활물질의 침출 방법.And a second step of adding hydrogen peroxide to the sulfuric acid leaching slurry solution to further leach out the unleached component remaining in the sulfuric acid leaching slurry after the first step, without solid-liquid separation.
(2) (1)에 기재된 정극 활물질의 침출 방법에 있어서,(2) In the leaching method of the positive electrode active material according to (1),
또한, 제2 공정에서 얻어지는 침출 후액의 산화 환원 전위를 낮추고, pH를 높이는 제3 공정과,In addition, the third step of lowering the redox potential of the leachate after-treatment obtained in the second step, raising the pH,
제3 공정에서 얻어지는 반응액을 고액 분리한 후, 용매 추출에 의해 망간을 유기상 추출하고, 다음에 유기상을 산성 수용액에 의해 역추출하여 망간 수용액을 얻는 제4 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정극 활물질의 침출 방법.After the solid-liquid separation of the reaction liquid obtained in the 3rd process, manganese is extracted with an organic phase by solvent extraction, and then the organic phase is back-extracted with an acidic aqueous solution, and the 4th process of obtaining an aqueous solution of manganese consists of the positive electrode active material characterized by the above-mentioned. Leaching method.
(3) (2)에 기재된 정극 활물질의 침출 방법에 있어서,(3) In the leaching method of the positive electrode active material according to (2),
상기 제3 공정에서는, 상기 제2 공정에서 얻어지는 침출 후액에 정극 활물질을 첨가하는 것을 특징으로 하는 정극 활물질의 침출 방법.At the said 3rd process, the positive electrode active material is added to the leaching liquid obtained by the said 2nd process, The leaching method of the positive electrode active material characterized by the above-mentioned.
(4) (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 정극 활물질의 침출 방법에 있어서, 상기 정극 활물질은, 정극 활물질에 포함되는 니켈, 코발트, 망간 및 리튬의 산화물을 주성분으로 하고, 첨가하는 황산의 양이, 니켈, 코발트, 망간, 리튬의 몰수의 합계 몰수 미만의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는 정극 활물질의 침출 방법.(4) The leaching method of the positive electrode active material according to any one of (1) to (3), wherein the positive electrode active material contains oxides of nickel, cobalt, manganese, and lithium contained in the positive electrode active material as main components, and The amount of sulfuric acid is used in an amount less than the total number of moles of the number of moles of nickel, cobalt, manganese and lithium, the leaching method of the positive electrode active material.
(5) (4)에 기재된 정극 활물질의 침출 방법에 있어서,(5) In the leaching method of the positive electrode active material according to (4),
첨가하는 과산화수소의 양이, 정극 활물질 중 상기 제1 공정에서 황산 용액에 용해되지 않은 정극 활물질에 포함되는 니켈, 코발트, 망간의 합계 몰량에 대해 0.8 내지 1.2배 몰량으로 사용되는 것을 특징으로 하는 정극 활물질의 침출 방법.The amount of hydrogen peroxide added is used in an amount of 0.8 to 1.2 times the amount of nickel, cobalt, and manganese contained in the positive electrode active material not dissolved in the sulfuric acid solution in the first step of the positive electrode active material. Leaching method.
(6) (1) 내지 (5) 중 어느 한 항에 기재된 정극 활물질의 침출 방법에 있어서,(6) The leaching method of the positive electrode active material according to any one of (1) to (5),
황산과 과산화수소에 의한 침출 후액에 정극 활물질을 첨가하여, 산화 환원 전위의 값을 700㎷(vs. Ag/AgCl) 이하로 조정하고, 용매 추출의 유기상으로부터 망간의 역추출을 촉진하는 것을 특징으로 하는 정극 활물질의 침출 방법.The positive electrode active material is added to the leaching liquor by sulfuric acid and hydrogen peroxide, and the value of the redox potential is adjusted to 700 Pa (vs. Ag / AgCl) or less, and the back extraction of manganese from the organic phase of solvent extraction is promoted. Leaching method of a positive electrode active material.
(7) (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 정극 활물질의 침출 방법에 있어서, 상기 제2 공정에서 얻어진 침출 후액에, 정극 활물질을 첨가하여 교반하고, 침출 후액의 pH를 2.5 이상으로 상승시키는 것을 특징으로 하는 정극 활물질의 침출 방법.(7) In the leaching method of the positive electrode active material according to any one of (1) to (6), the positive electrode active material is added and stirred to the leaching liquid obtained in the second step, and the pH of the leaching liquid is 2.5 or more. It raises, The leaching method of the positive electrode active material characterized by the above-mentioned.
본 발명에 따르면, 리튬 이온 전지의 정극 활물질의 침출에 있어서,According to the present invention, in leaching of the positive electrode active material of a lithium ion battery,
1) 침출시에 황산을 사용하므로, 염소 가스 등을 발생시키지 않는다.1) Sulfuric acid is used during leaching, so no chlorine gas is generated.
2) 황산에 의해 용해 가능한 정극 활물질을 먼저 황산에 의해 침출시켜 버리므로, 과산화수소의 사용량을 삭감할 수 있다.2) Since the positive electrode active material soluble in sulfuric acid is first leached with sulfuric acid, the amount of hydrogen peroxide used can be reduced.
3) 침출 후의 용액 중의 망간 이온을 2가로 환원하고, 용매 추출 등의 이온종의 분리에 적합한 액성의 용액으로 조제할 수 있다.3) The manganese ions in the solution after leaching can be reduced to divalent, and a liquid solution suitable for separation of ionic species such as solvent extraction can be prepared.
고 하는 효과가 얻어져, 리튬 이온 전지의 정극 활물질로부터 효율적으로 니켈, 코발트, 망간, 리튬을 침출시킬 수 있다.The effect to be obtained is acquired and nickel, cobalt, manganese, and lithium can be leached efficiently from the positive electrode active material of a lithium ion battery.
도 1은 망간의 추출까지의 흐름을 나타내는 도면.
도 2는 정극 활물질의 침출 흐름을 나타내는 도면.
도 3은 정극 활물질의 침출시의 침출액의 ORP, pH 변화를 나타내는 그래프.
도 4는 침출 후액으로부터 용매 추출을 행하여, 역추출 후의 유기상의 색조 비교를 모식적 나타내는 도면.1 is a diagram illustrating a flow up to extraction of manganese.
2 is a view showing a leaching flow of a positive electrode active material.
3 is a graph showing ORP and pH change of a leach solution during leaching of a positive electrode active material.
4 is a diagram schematically illustrating a color comparison of an organic phase after back extraction by solvent extraction from a leaching liquid.
본 발명의 일 형태를 도 1에 나타낸다. 침출 처리 대상으로서 사용하는 재료는, 리튬 이온 전지의 정극 활물질, 혹은 정극 활물질의 제조 과정 등에서 발생한 규격 외(오프 스펙)의 정극 활물질, 품질 관리상의 발취 검사 처리품, 본 발명의 방법에 의해 얻어지는 잔사 등이다. 정극 활물질이라 함은, 니켈산 리튬, 코발트산 리튬, 망간산 리튬 및 니켈, 코발트, 망간, 리튬을 다양한 비율로 포함하는 복합 산화물이다.One embodiment of the present invention is shown in FIG. 1. The material used as a leach treatment object is a non-standard positive electrode active material (off-spec) produced during the manufacturing process of a lithium ion battery, a positive electrode active material, the quality control of the extraction inspection processed product, the residue obtained by the method of this invention. And so on. A positive electrode active material is a composite oxide containing lithium nickelate, lithium cobalt acid, lithium manganate, and nickel, cobalt, manganese, and lithium in various ratios.
정극 활물질에는, 황산에 의해 침출 가능한 성분이 포함되어 있으므로, 우선, 이들 성분에 대해 황산을 사용하여 침출을 행하여, 황산 침출 슬러리 용액을 얻는다(제1 공정). 이때 첨가하는 황산의 양은, 종래에 있어서는 완전히 침출시킨다고 하는 관점에서 적어도 각 유가 금속의 몰수의 합계와 등량, 효율성을 고려하면 보다 많은 양인 것이 상식이었지만, 본 발명에서는, 정극 활물질 중의 니켈, 코발트, 망간, 리튬의 몰수의 합계 미만, 용해의 효율화의 관점에서 니켈, [(코발트, 망간, 리튬의 몰수의 합계)-(리튬의 몰수×0.5)] 이상이 바람직하다. 예를 들어, 정극 활물질 중에, 니켈, 코발트, 망간이 각각 0.1몰 및 리튬이 0.3몰, 각각 함유되어 있는 경우, 침출 처리에 사용하는 황산량은, 통상은 0.1+0.1+0.1+0.3=0.6몰 미만이고, 침출의 효율성을 고려하면, 0.1+0.1+0.1+0.3×0.5=0.45몰 이상이 바람직하다. 황산을 이 양으로 사용하는 이유로서는, 과잉의 황산을 사용하여 유가 금속을 완전히 침출시키는 것이 아니라, 보다 적은 황산을 사용하였다고 해도 제2 공정에서의 침출 처리에서 거의 전량을 침출시킬 수 있도록 하고, 산의 사용량을 억제함으로써 비용을 낮추는 것 외에, 침출 후의 중화 처리가 필요 없게 되거나, 혹은 가혹한 조건에서 행할 필요가 없도록 하기 위함이다. 또한, 액온은 상온에 있어서도 반응은 진행된다.Since the positive electrode active material contains components which can be leached with sulfuric acid, first, leaching is carried out using sulfuric acid for these components to obtain a sulfuric acid leaching slurry solution (first step). At this time, the amount of sulfuric acid added is conventionally higher than the total number of moles of the valuable metals in consideration of total leaching, equivalent amount, and efficiency. However, in the present invention, nickel, cobalt, and manganese in the positive electrode active material are common. Less than the sum of the number of moles of lithium and the viewpoint of the efficiency of dissolution, nickel, [(the sum of the number of moles of cobalt, manganese, lithium)-(number of moles of lithium x 0.5)] is preferable. For example, when nickel, cobalt, and manganese contain 0.1 mol and 0.3 mol of lithium, respectively, in the positive electrode active material, the amount of sulfuric acid used for the leaching treatment is usually 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.3 = 0.6 It is less than mole, and considering the efficiency of leaching, 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.3 * 0.5 = 0.45 mol or more is preferable. The reason for using sulfuric acid in this amount is not to leach valuable metals completely by using excess sulfuric acid, but to allow almost all of the acid to be leached in the leaching treatment in the second step even if less sulfuric acid is used. In addition to lowering the cost by suppressing the amount of used, the neutralization treatment after leaching is no longer necessary or is not necessary to be performed under severe conditions. In addition, even if liquid temperature is normal temperature, reaction advances.
다음에, 제1 공정 후, 고액 분리하지 않고, 황산 침출 슬러리 용액에 과산화수소를 첨가한다(제2 공정). 이때, 과산화수소의 첨가는, 황산 첨가하여 교반 후, 연속해서 행해도 되고, 시간, 혹은 장소를 바꾸어 다시 행해도 된다. 정극 활물질을 먼저 황산에 의해 침출시킴으로써, 과산화수소의 사용량이 적어지게 된다. 이것이 먼저 황산에 의해 침출시키는 이유이다. 황산에 의해 침출 가능한 양은, 정극 활물질의 조성에 따라 다르다. 이로 인해, 황산과 동시에 과산화수소를 넣으면, 과산화수소의 과부족이 발생한다. 먼저 황산에 의해 침출시키고, 미용해분에 대해 과산화수소를 첨가하면, 황산에 용해 가능한 성분까지, 과산화수소를 사용하지 않아도 되므로 과산화수소의 사용량을 삭감할 수 있다.Next, after the first step, hydrogen peroxide is added to the sulfuric acid leaching slurry solution without solid-liquid separation (second step). Under the present circumstances, hydrogen peroxide may be added continuously after sulfuric acid addition and stirring, and may be performed again, changing time or place. By first leaching the positive electrode active material with sulfuric acid, the amount of hydrogen peroxide used decreases. This is the first reason for leaching with sulfuric acid. The amount which can be leached with sulfuric acid depends on the composition of the positive electrode active material. For this reason, when hydrogen peroxide is added at the same time as sulfuric acid, the excess and deficiency of hydrogen peroxide generate | occur | produce. First, by leaching with sulfuric acid and adding hydrogen peroxide to the undissolved powder, the amount of hydrogen peroxide can be reduced since hydrogen peroxide is not used up to the component soluble in sulfuric acid.
황산에 의해 침출된 정극 활물질에는, 완전히 침출되지 않은 니켈, 코발트, 망간, 리튬이 남는다. 이들을 침출시키기 위해, 과산화수소를 첨가한다. 과산화수소의 첨가량은 황산에 대해 용해되지 않은 니켈, 코발트, 망간과 등(等)몰량의 합계량 정도, 예를 들어 니켈, 코발트, 망간의 합계 몰량에 대해 0.8 내지 1.2배 몰량을 첨가한다. 예를 들어, 황산에 의해 침출된 정극 활물질에, 니켈이 0.06몰, 코발트가 0.06몰, 망간이 0.06몰, 각각 함유되어 있는 경우, 침출 처리에 사용하는 과산화수소량은, 0.06+0.06+0.06=0.18몰 정도, 예를 들어 0.144(0.18×0.8) 내지 0.216(0.18×1.2)몰로 된다. 이 이상의 과산화수소의 첨가는, 비용적으로 불리하다. 또한 잔류한 과산화수소는 후공정에서 용매 추출에 의한 이온종의 분리를 행하는 경우는, 추출 용매에 악영향을 미치는 경우가 있다. 과산화수소의 첨가에 의해 황산만으로는 침출시킬 수 없었던 니켈, 코발트, 망간, 리튬의 침출이 진행되고, 황산에 의한 침출시에 더하여 용액 중에 남아 있던 황산이 소비된다.In the positive electrode active material leached by sulfuric acid, nickel, cobalt, manganese, and lithium which are not completely leached remain. In order to leach them, hydrogen peroxide is added. The amount of hydrogen peroxide added is about 0.8 to 1.2 times the molar amount relative to the total molar amount of nickel, cobalt, manganese and the like, and the total molar amount of nickel, cobalt and manganese, which are not dissolved in sulfuric acid. For example, when 0.06 mol of nickel, 0.06 mol of cobalt, and 0.06 mol of manganese are contained in the positive electrode active material leached by sulfuric acid, the amount of hydrogen peroxide used for a leaching process is 0.06 + 0.06 + 0.06 = It will be about 0.18 mol, for example, 0.144 (0.18 * 0.8)-0.216 (0.18 * 1.2) mol. The addition of more hydrogen peroxide is disadvantageous in cost. In addition, the residual hydrogen peroxide may adversely affect the extraction solvent when the ionic species are separated by solvent extraction in a later step. By addition of hydrogen peroxide, leaching of nickel, cobalt, manganese and lithium, which could not be leached with sulfuric acid alone, proceeds, and sulfuric acid remaining in the solution is consumed in addition to leaching with sulfuric acid.
통상은, 황산, 과산화수소에 의해 침출 후의 용액을 다음 금속 이온의 분리 처리에 사용하지만, 이 침출 후액의 산화 환원 전위를 낮추고, pH를 높여도 된다. 이에 의해, 고산화 상태로 된 이온종이 2가의 이온으로 환원된다고 생각된다. 이때의 침출 후액의 산화 환원 전위는 700㎷(vs. Ag/AgCl) 이하로 한다. 이에 의해, 용매 추출의 유기상으로부터 망간의 역추출을 촉진시키는 것이 가능해진다. 상온(20 내지 30℃)에서도 반응은 진행된다.Usually, the solution after leaching with sulfuric acid and hydrogen peroxide is used for the separation treatment of the next metal ion, but the redox potential of the leaching solution may be lowered to increase the pH. Thereby, it is thought that the ionic species which became high-oxidation state are reduced to bivalent ions. The redox potential of the leaching liquid at this time is 700 kV (vs. Ag / AgCl) or less. This makes it possible to promote back extraction of manganese from the organic phase of solvent extraction. The reaction proceeds even at room temperature (20 to 30 ° C).
침출 후액의 산화 환원 전위를 낮추는 방법으로서는, 예를 들어 정극 활물질의 첨가를 들 수 있다. 첨가하는 정극 활물질로서는, 도 2에 나타내어지는 침출 잔사를 사용해도 마찬가지의 효과가 얻어진다. 혹은, 미침출의 정극 활물질을 첨가해도 되고, 미침출의 정극 활물질과 침출 후의 정극 활물질의 양쪽을 첨가해도 된다.As a method of lowering the redox potential of a leachate after solution, addition of a positive electrode active material is mentioned, for example. As a positive electrode active material to add, the same effect is acquired even if it uses the leaching residue shown in FIG. Alternatively, an unleached positive electrode active material may be added, or both of the unleached positive electrode active material and the leached positive electrode active material may be added.
용액 중으로부터 금속 이온을 분리하는 방법으로서, 침출 후액 또는 산화 환원 전위 및 pH가 조정된 침출 후액에 대해 고액 분리한 후, 소정의 금속 이온의 추출을 보조하는 추출제의 존재하에서 유기 용매를 사용하는 용매 추출법이 사용된다. 금속 이온을 추출 전의 유기상은 무색이지만, 용액 중에서 색을 나타내는 금속 이온을 추출한 후의 유기상은 착색되어 있어, 적당한 산 농도의 수용액에 의해 역추출시키면, 유기상의 금속 이온은 수용액에 역추출되어, 역추출 후의 유기상은 다시 무색으로 복귀된다. 이에 의해, 금속 이온의 상(相) 사이에서의 이동을 확인할 수 있다.A method of separating metal ions from a solution, comprising: solid-liquid separation of a leaching after-liquid or a leaching after-treatment with adjusted redox potential and pH, and then using an organic solvent in the presence of an extractant to assist extraction of a given metal ion. Solvent extraction is used. The organic phase before the extraction of the metal ions is colorless, but the organic phase after the extraction of the metal ions showing color in the solution is colored. The organic phase later returns to colorlessness. Thereby, the movement between phases of a metal ion can be confirmed.
이러한 추출제로서는, 인산계 추출제, 포스폰산계 추출제 등을 들 수 있고, 보다 구체적으로는 디(2-에틸헥실)인산 등을 들 수 있다.As such an extractant, a phosphoric acid extractant, a phosphonic acid extractant, etc. are mentioned, More specifically, di (2-ethylhexyl) phosphoric acid etc. are mentioned.
침출 과정에 있어서, 망간 등은 원자가가 2가보다도 높아지는 경우가 있다. 동종의 금속이라도, 이와 같이 원자가가 다른 복수종의 금속 이온이 혼재하는 현상은, 침출 후에 각각의 이온종을 분리하는 방법으로서 용매 추출법을 행하는 경우는 문제로 된다. 침출 후액 중에 원자가가 높은 망간 이온종이 존재한 상태에서, 용매 추출을 행하면, 역추출 후에도 추출제에 도입된 일부의 망간 이온이 유기상에 잔류해 버리는 경우가 있다. 그 결과, 역추출 후의 용매에는 자색의 착색이 보이는 경우가 있다. 이것은 원자가가 2가보다 높은 망간 이온의 색이라 생각된다.In the leaching process, manganese or the like may have a valence higher than divalent. Even in the same kind of metal, the phenomenon in which a plurality of metal ions having different valences are mixed in this manner becomes a problem when the solvent extraction method is performed as a method of separating each ionic species after leaching. When solvent extraction is carried out in the presence of high valence manganese ionic species in the leaching liquor, some of the manganese ions introduced into the extractant may remain in the organic phase even after the back extraction. As a result, purple color may be seen in the solvent after back extraction. This is thought to be the color of manganese ions whose valence is higher than divalent.
유기 용매에 잔류하는 망간량은, 유기 용매 1L당 망간 수십 ㎎이라고 하는 소량이기는 하지만, 용매 추출에서는 역추출 후의 유기 용매를 다시 추출로 반복하여, 연속으로 추출을 행하는 것이 일반적이므로, 유기 용매 중에 완전히 역추출되지 않은 망간이 축적된다. 또한 원자가가 높은 망간 이온은 산화력을 갖고 있으므로, 용매 추출에 있어서 유기 용매가 산화될 우려가 있다. 이들의 이유로부터, 역추출에 의해 유기상으로부터 금속 이온을 전량 불출하는 것이 이상적이며, 역추출할 수 없는 금속 이온은 미리 제거해 두거나, 원자가 등을 조정하여 역추출이 가능해지는 이온종으로 해 두는 것이 중요해진다.Although the amount of manganese remaining in the organic solvent is a small amount of several tens of mg of manganese per 1 L of the organic solvent, in the solvent extraction, the organic solvent after back extraction is generally repeated again by extraction, and the extraction is continuously performed. Manganese not accumulated is accumulated. In addition, since manganese ions having a high valence have an oxidizing power, an organic solvent may be oxidized in solvent extraction. For these reasons, it is ideal to extract all the metal ions from the organic phase by back extraction, and it is important to remove metal ions that cannot be back extracted in advance, or to adjust the valence or the like to make the ionic species capable of back extraction. Become.
그 방법으로서, 침출 후액에 정극 활물질을 첨가하면 망간 이온의 원자가가 낮아져, 역추출되기 쉬워지므로 역추출 후의 유기상에의 망간의 잔류량이 낮아진다. 역추출 후의 유기상은 무색이다.As a method, when the positive electrode active material is added to the leaching liquor, the valence of manganese ions is lowered and it is easier to extract back, so that the amount of manganese remaining in the organic phase after the reverse extraction is lowered. The organic phase after back extraction is colorless.
정극 활물질을 첨가함으로써, 잔류한 황산과 과산화수소가 소비된다. 이에 의해, 침출 후액의 pH는 상승한다. 침출 후액으로부터 용매 추출 등에 의해 니켈, 코발트, 망간, 리튬을 분리하는 경우는, 약산성 내지 중성이 적합하다. 왜냐하면, 니켈, 코발트, 망간, 리튬을 추출하는 용매의 추출 pH는 약산성 내지 중성 영역이기 때문이다. 그로 인해, 침출 후액의 산 농도가 높으면 적합하지 않다. 그러나 알칼리제 등의 중화제에 의해 침출 후의 pH를 높이려고 하면, 약제 비용이 별도로 필요해지지만, 원료인 정극 활물질을 첨가하면, 중화 약제는 불필요하다.By adding a positive electrode active material, residual sulfuric acid and hydrogen peroxide are consumed. Thereby, the pH of the leaching liquid rises. In the case of separating nickel, cobalt, manganese and lithium from the leachate after solvent extraction, weak acidity to neutrality is suitable. This is because the extraction pH of the solvent for extracting nickel, cobalt, manganese, and lithium is in a weakly acidic to neutral region. Therefore, it is not suitable when the acid concentration of a leachate liquor is high. However, if the pH after leaching is increased by a neutralizing agent such as an alkali chemical agent, a drug cost is required separately. However, if a positive electrode active material as a raw material is added, a neutralizing agent is unnecessary.
침출 후액으로부터 인산계 추출제, 포스폰산계 추출제를 사용하여 망간의 용매 추출을 행하는 것이면, 어느 정도의 추출량을 얻기 위해서는 추출 평형 pH가 2.5 이상인 것이 필요하다. 이로 인해, 추출 전액의 pH도 이 pH에 가깝거나 그 이상인 것이 바람직하고, 침출 후액의 pH를 2.5 이상으로 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 추출 평형 pH보다도 저pH의 추출 전액에서 추출을 행하려고 하면, 추출 평형 pH를 유지하기 위해, 추출에 수반하여 추출제로부터 방출되는 프로톤의 중화와 추출 전액의 중화를 동시에 행해야 하므로, 추출 반응시에 다량의 pH 조정제를 첨가해야 해, 추출 pH 제어가 어려워지기 때문이다.If the extraction of manganese is carried out using a phosphate extractant and a phosphonic acid extractant from the leaching liquor, it is necessary that the extraction equilibrium pH is 2.5 or more to obtain a certain amount of extraction. For this reason, it is preferable that the pH of extraction whole liquid is also close to or more than this pH, and it is preferable to make pH of a leaching liquid into 2.5 or more. This is because if the extraction is to be performed at the total extraction pH lower than the extraction equilibrium pH, in order to maintain the extraction equilibrium pH, it is necessary to simultaneously neutralize the protons released from the extraction agent and neutralize the extraction total liquid in order to maintain the extraction equilibrium pH. It is because a large amount of pH adjuster must be added at the time, and extraction pH control becomes difficult.
여기서는, 망간의 추출을 구체적으로 설명하였지만, 그 밖의 유가 금속인 코발트, 니켈, 리튬은 종래 공지의 방법으로, 각각 추출할 수 있다.Herein, the extraction of manganese has been described in detail, but other valuable metals such as cobalt, nickel and lithium can be extracted by a conventionally known method.
첨가한 정극 활물질은 그 대부분이 침출 잔사로 되지만, 이 잔사를 반복하여 침출 또는 침출 후에 첨가하는 용도로 이용하면, 공정 밖으로의 손실로는 되지 않는다.Most of the added positive electrode active material becomes a leaching residue. However, if the residue is used repeatedly for leaching or after leaching, the added positive electrode active material does not become a loss out of the process.
[실시예][Example]
(제1 실시예 : 황산에 의해 침출 후에 과산화수소를 첨가하는 효과에 대해)(First Example: Effect of Adding Hydrogen Peroxide After Leaching with Sulfuric Acid)
도 2에 나타낸 바와 같이, 1mol/L의 황산 용액 0.5L(황산 0.5mol)에 정극 활물질(1)(31.3dry-g)을 첨가하고, 가온 없이 600rpm으로 교반하였다. 첨가한 황산량은 정극 활물질 중의 니켈, 코발트, 망간과 등몰량의 황산과, 리튬에 대해 몰비로 0.5의 황산의 합계량이다. 첨가한 정극 활물질의 조성은 표 1에 나타낸다. 액온은 20 내지 30℃였다. 또한, 황산 침출 잔사(2)의 조성을 나타내는 표 2에 따르면, 황산만의 침출에 의해, 침출 전의 정극 활물질에 포함되는 니켈, 코발트, 망간 중 37wt%가 각각 침출되고, 리튬은 66wt% 침출되었다.As shown in FIG. 2, the positive electrode active material 1 (31.3dry-g) was added to 0.5 L (0.5 mol of sulfuric acid) of 1 mol / L sulfuric acid solution, and it stirred at 600 rpm without heating. The amount of sulfuric acid added is the total amount of nickel, cobalt, manganese and equimolar amount of sulfuric acid in the positive electrode active material, and 0.5 sulfuric acid in a molar ratio relative to lithium. The composition of the added positive electrode active material is shown in Table 1. Solution temperature was 20-30 degreeC. Moreover, according to Table 2 which shows the composition of the sulfuric
전항의 황산에만 의한 침출 후, 고액 분리를 행하지 않고, 황산 침출의 슬러리 용액에 과산화수소를 첨가하였다. 황산에 용해되지 않은 정극 활물질에 포함되는 니켈, 코발트, 망간에 대해, 등몰량의 합계량의 과산화수소를 포함하는 35wt% 과산화수소수를 첨가하고, 가온 없이 600rpm으로 교반하였다. 황산에 용해되지 않은 정극 활물질의 조성은, 표 2에 나타내는 조성이다. 그 결과, 침출 후액(3)의 조성을 나타내는 표 3에 따르면, 황산에 의해 우선 침출 후에 과산화수소를 첨가하여 침출시킴으로써, 침출 전의 정극 활물질 중 96wt% 이상의 니켈, 코발트, 망간, 리튬이 각각 침출되었다.Hydrogen peroxide was added to the slurry solution of sulfuric acid leaching, without carrying out solid-liquid separation after leaching only by sulfuric acid of the preceding claim. To nickel, cobalt and manganese contained in the positive electrode active material not dissolved in sulfuric acid, 35 wt% hydrogen peroxide solution containing an equimolar amount of hydrogen peroxide was added and stirred at 600 rpm without heating. The composition of the positive electrode active material not dissolved in sulfuric acid is a composition shown in Table 2. As a result, according to Table 3 showing the composition of the
(제2 실시예 : 정극 활물질의 첨가와 첨가 후의 침출액에 의한 망간 용매 추출)Example 2 Manganese Solvent Extraction by Addition of Positive Electrode Active Material and Leachate after Addition
황산과 과산화수소에 의한 침출 후의 용액 0.5L에 정극 활물질(10dry-g)을 첨가하고, 600rpm으로 상온(20 내지 30℃)에서 교반을 행하면, 용액의 산화 환원 전위 ORP가 700㎷(vs. Ag/AgCl) 이하로 저하되었다. 또한 용액의 pH는 3 이상으로 상승하였다. 이 결과를 도 3에 나타낸다. 첨가한 정극 활물질의 조성은 표 1에 나타내는 정극 활물질과 동일한 것이다. 정극 활물질을 첨가한 시간은 도면 중의 반응 시간 6.5시간일 때이다. 그 후, 교반을 계속하면 산화 환원 전위 ORP의 저하와, pH의 상승이 보였다. 정극 활물질을 첨가하고 나서 8.5시간 후(침출 개시로부터 15시간 후), 침출 후액의 ORP는 700㎷ 이하로 되었다. pH는 3.8까지 상승하였다.The positive electrode active material (10 dry-g) was added to 0.5 L of the solution after leaching with sulfuric acid and hydrogen peroxide, and the mixture was stirred at room temperature (20 to 30 ° C.) at 600 rpm. The oxidation-reduction potential ORP of the solution was 700 kV (vs. Ag / AgCl) was lowered. In addition, the pH of the solution rose to 3 or more. This result is shown in FIG. The composition of the added positive electrode active material is the same as that of the positive electrode active material shown in Table 1. The time to which the positive electrode active material was added is when reaction time 6.5 hours in a figure. Then, continuing stirring, the fall of redox potential ORP and the raise of pH were seen. 8.5 hours after adding the positive electrode active material (15 hours after the start of leaching), the ORP of the leaching liquid became 700 Pa or less. pH rose to 3.8.
이 정극 활물질을 첨가하여 산화 환원 전위 ORP와 pH를 조정한 침출 후액을 고액 분리 후, 여과액으로부터 망간 용매 추출을 행하여, 침출액의 망간을 유기상으로 추출하였다. 다음에 유기상에 황산 수용액을 첨가하여, 유기상으로부터 수용액 중으로 망간을 역추출하였다. 여기서 사용한 망간 추출 용매는 디(2-에틸헥실)인산(랑세스사제 D2EHPA) 25체적%와 희석제 shell sol D70(쉘 케미컬 가부시끼가이샤)의 혼합 용매이다. 추출 조건, 역추출 조건은 표 4에 나타낸다. 그 결과, 역추출 후의 유기상의 색은 무색이고, 역추출 후의 유기상 중의 망간을 분석한 바 유기상 1L의 망간 농도는 30mg/L로 근소하여, 추출한 망간을 거의 역추출할 수 있었다(표 5).After leaching liquid obtained by adding this positive electrode active material and adjusting the redox potential ORP and pH, solid-liquid separation, manganese solvent extraction was performed from the filtrate, and manganese of the leaching liquid was extracted as an organic phase. Next, an aqueous sulfuric acid solution was added to the organic phase, and manganese was back extracted from the organic phase into the aqueous solution. The manganese extraction solvent used here is a mixed solvent of 25 volume% of di (2-ethylhexyl) phosphoric acid (D2EHPA by LANXESS) and a diluent shell sol D70 (Shell Chemical Co., Ltd.). Extraction conditions and back extraction conditions are shown in Table 4. As a result, the color of the organic phase after back extraction was colorless, and manganese in the organic phase after back extraction was analyzed. As a result, the manganese concentration of 1 L of the organic phase was nearly 30 mg / L, and the extracted manganese could be almost back extracted (Table 5).
(침출 후액에의 정극 활물질의 첨가 유무에 의한 망간의 역추출량의 비교에 대해)(About comparison of back extraction amount of manganese with or without addition of positive electrode active material to leaching liquid)
제2 실시예의 조건을 「조건 A」로 한다. 제1 실시예의 조건, 즉 침출 후액에 정극 활물질을 첨가하지 않는 것 이외에는 제2 실시예외 동일한 조건에서 정극 활물질을 침출한 후, 고액 분리한 여과액을 제2 실시예의 표 4와 동일한 조건에서 망간의 용매 추출과 역추출을 행하였다. 이것을 「조건 B」로 한다. 조건 A와 조건 B에 있어서의 역추출 후의 유기상의 색을 비교하면, 침출 후에 정극 활물질을 첨가한 조건(조건 A)에서는 유기상이 무색이었던 것에 대해, 정극 활물질을 첨가하지 않은 조건(조건 B)에서는 유기상이 자색으로 착색되었다. 이 결과를 도 4의 (a), (b)에 나타낸다. 표 6에 나타내는 바와 같이, 역추출 후의 유기상에 잔류하고 있던 망간 농도는, 침출 후에 정극 활물질을 첨가하지 않은 조건(조건 B)보다도, 침출 후에 정극 활물질을 첨가한 조건(조건 A)의 쪽이 낮아, 침출 후에 정극 활물질을 첨가함으로써 보다 많은 망간을 추출할 수 있었다.Let the conditions of the second embodiment be "condition A". The filtrate obtained by solid-liquid separation after leaching the positive electrode active material under the same conditions other than the second embodiment except that the positive electrode active material was not added to the conditions of the first embodiment, that is, the leaching liquor was subjected to manganese under the same conditions as in Table 4 of the second embodiment. Solvent extraction and back extraction were performed. Let this be "condition B". When the color of the organic phase after back extraction in condition A and B was compared, on the condition which added the positive electrode active material after leaching (condition A), on the condition which an organic phase was colorless, on the condition which did not add a positive electrode active material (condition B), The organic phase was colored purple. This result is shown to FIG. 4 (a), (b). As shown in Table 6, the manganese concentration remaining in the organic phase after the back extraction is lower in the condition (condition A) in which the positive electrode active material is added after leaching than in the condition in which the positive electrode active material is not added after leaching (condition B). After the leaching, more manganese could be extracted by adding the positive electrode active material.
Claims (7)
황산을 첨가한 수용액 중에 있어서, 상기 정극 활물질 중 황산 용액에 가용성인 성분을 용해하는 제1 공정과,
제1 공정 후, 고액 분리하지 않고, 황산 침출 슬러리 용액에 과산화수소를 첨가하여 황산 침출 슬러리 중에 잔류하는 미침출 성분을 더 침출시키는 제2 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 정극 활물질의 침출 방법.A method of leaching a valuable metal from a positive electrode active material of a lithium ion battery composed of a composite oxide composed of a transition metal containing at least manganese,
1st process which melt | dissolves the component which is soluble in the sulfuric acid solution in the said positive electrode active material in the aqueous solution which added sulfuric acid,
And a second step of further leaching the unleached component remaining in the sulfuric acid leaching slurry by adding hydrogen peroxide to the sulfuric acid leaching slurry solution without solid-liquid separation after the first step.
제3 공정에서 얻어지는 반응액을 고액 분리한 후, 용매 추출에 의해 망간을 유기상 추출하고, 다음에 유기상을 산성 수용액에 의해 역추출하여 망간 수용액을 얻는 제4 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 정극 활물질의 침출 방법.The third process according to claim 1, wherein the redox potential of the leaching liquid obtained in the second step is lowered and the pH is increased.
And separating the reaction liquid obtained in the third step into solid-liquid, and then extracting the manganese organic phase by solvent extraction, followed by a fourth step of back extracting the organic phase with an acidic aqueous solution to obtain a manganese aqueous solution. Leaching method of the active material.
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