KR20170105677A - 산업용 폐배터리의 재활용과 기능향상을 위한 재생용액 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산업용 납산 폐배터리의 재활용과 기능향상을 위한 재생용액에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 일정기간 사용한 후 기능이 현저하게 저하되거나 성능이 다 되어 폐기되고 있는 산업용 납산 배터리의 재생가능 여부와 잔여성능을 측정하고 기초적 충전 후에 재생용액을 각 셀에 일정량 주입한 배터리에 충방전을 가해주어 황산염과 부식물을 제거하고 억제하는 역할을 통하여 폐기되는 배터리의 기능을 신품 대비 95% 이상 재생, 복원할 수 있도록 함을 특징으로 하는 산업용 납산 폐배터리의 재활용과 기능향상을 위한 재생용액에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 산업용 배터리를 재생하는 재생용액에 있어서, 증류수 93~97% 중량에 황산카드뮴(Cadmium Sulfate Hydrate), 황산구리(Copper Sulfate Hydrate), 질산카드뮴(Cadmium Nitrate Hydrate), 황산코발트(Cobalt Sulfate Hydrate), 붕산(Boric Acid Sulfate Hydrate) 등으로 이루어진 재생 시약을 3~6% 중량을 첨가하여 구성하는 것을 특징으로 하는 것이다.
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Description
본 발명은 시동용, 산업용 폐배터리의 재활용과 기능향상을 위한 재생용액에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정기간 사용한 후 기능이 현저하게 저하되거나 성능이 다 되어 폐기되고 있는 시동용, 산업용 납산 배터리의 재생가능 여부와 잔여성능을 측정하고 기초적 충방전 후에 재생용액을 각 셀에 일정량 주입한 배터리에 충방전을 가해주어 황산염과 부식물을 제거하고 억제하는 역할을 통하여 폐기되는 배터리의 기능을 신품 대비 95% 이상 재생, 복원할 수 있도록 함을 특징으로 하는 산업용 납산 폐배터리의 재활용과 기능향상을 위한 재생 용액에 관한 것이다.
모든 납산 배터리는 충전과 방전이 가능한 2차 전지로 묽은 황산수용액 (H2SO4)에 담근 납(Pb)과 이산화납(PbO2)의 전극으로 구성되어 있으며, 다음과 같은 전지반응을 통하여 전기에너지를 생성한다.
납축전지의 충전 상태는 전해질 용액의 비중을 통해 알 수 있다. 충전이 완료된 상태에서의 비중이 1.280 ~1.300의 범위에 있으며 1.280 이하의 비중은 부분적으로 방전되었음을 나타낸다.
양극과 음극 모두 축전지가 완전히 방전했을 때 PbSO4(s)로 바뀐다. 반응물인 황산은 전지가 방전하면서 농도가 줄어들게 되므로 전해질 비중을 측정하면 축전지의 충전상태를 빨리 평가할 수 있게 된다. 2V 이상의 전압이 전지 한 개의 양극 끝 사이로 걸리면(혹은 전체 축전지에 12V 이상) 원래 양극이었던 전극은 음극으로 바뀌고 음극이었던 전극은 양극으로 바뀌며, 반쪽전지반응은 역으로 진행된다. 계속해서 전지가 충전되면 전지는 처음상태로 되돌아가고 또 다른 전기 에너지를 만들어내는 방전 반쪽회로를 수행할 준비가 된다.
납축전지의 주요 구성부분을 살펴보면 극판, 격리판, 전해액, 전조의 네 [0006] 부분으로 되어 있다. 극판은 양극판(PbO2), 음극판(Pb)이 있으며 전기 화학적 반응에 참여하는 활물질과 이를 지지하는 동시에 전도체 역할을 하는 극판으로 구성된다.
극판은 납 또는 납 합금으로 만들어지며, 극판의 목적은 활물질을 지지하고 전극에서의 전류를 전달하는 데 있다.
격리판은 양극과 음극의 단락을 방지하고 활물질을 보호하기 위한 것으로서 내산성 및 내산화성이 우수하며, 축전지의 유해한 물질을 유출하지 않은 절연재료로 만들어 진다. 전해액은 황산용액이 사용되며 전조는 극판, 격리판 및 전해액 등을 수용하는 용기이다.
상기와 같은 종래의 납축전지는 오랜 기간 반복적인 충방전을 거치면서 극판의 부식과 황산염화로 인하여 전지의 수명이 다하게 되는 직접적인 원인이 된다.
또한 극판의 부식으로 패시브(passive)한 막을 형성하게 되면 활물질로부터 전류를 전달하지 못하게 되며 극판의 부식은 활물질과 극판 사이의 부피차이로 인한 피로현상에 의해 더욱 가속되어 극판의 팽창과 왜곡을 유발하게 한다.이러한 피로 현상이 반복되면 활물질간의 결합력이 약해진다. 따라서 유효한 활물질의 양은 감소되며, 이는 다시 축전지의 용량저하를 유발시킨다.
또한 수소가스 발생과 높은 열의 발생에 따른 증류수의 증발로 전해액의 부족화 원인에 의한 극판의 산소 노출로 발생하는 산화현상, 전해액 속의 불순물(금속, 가스 등)에 의한 국부 전자 구성 등에 의해 충전 및 방전 기능이 원활하게 이루어지지 않아 본래 효율을 내지 못하게 된다.
상기와 같은 원인으로 인하여 수명을 다해 교체하여야 하는 산업용 폐배터리의 경우 현재까지는 재활용 기술이 없어 전량 수거하여 폐기 처리하고 있다.
그러나 산업용 배터리의 경우 폐기물관리법시행규칙에 의거 폐산(H2SO4) 지정폐기물로 지정되기 때문에 폐기가 용이하지 않고 막대한 처리비용이 소요될 뿐만 아니라 그로 인한 환경오염도 심화되고 폐기물량이 급속하게 증가하면 매립장 부족현상이 발생하는 문제점이 있다.
폐배터리 재생방법에 대한 종래기술로는 발명특허 제0805075호(2008. 02. 12. 등록)에 게재된 바와 같이, 전해액에 레진30g, 분말칼륨20g, 분납가루15g, 토르말린200g, 젤라틴40g을 혼합한 후 흔들어 희석시켜 완성하고 배터리 충전기로 약 46시간 가량 충전하여 폐배터리에 남아있는 성능과 용량을 측정하여 폐배터리의 6개의 셀을 각각 타공하여 각 셀당 전해액을 일정하게 조절한 후 제조된 전해액을 적정량을 주입/보충하고 타공된 각각의 셀을 밀폐시킨 다음 극판 구멍에 소금처럼 굳어진 황산염에 고주파로 충격함과 아울러 충전전류를 동시에 공급하는 것과,
발명특허 제0584250호(2006. 05. 22. 등록)에 게재된 바와 같이, 전해액의 보충을 위해 배터리의 전해액 용기내에 묽은 황산용액과 증류수를 주입하는 단계와, 극판 재생을 위해 전해액 용기 내에 수용성 에폭시액과 분납을 주입하는 단계와, 전해액 용기 내에 주입된 분납의 활동성을 증대시키기 위해 일정 온도를 유지하면서 전해
액 용기를 흔들어주는 단계, 및 전해액 용기 내에 주입된 분납과 극판 간에 자장을 형성하여 극판의 재생을 촉진시키기 위해 전해액 용기 내의 용액에 전기적 자극을 가하는 단계를 포함하는 것이다.
그러나 이러한 종래의 기술은 구체적으로 어느 정도의 재생력이 있는지 확인할 수 없으며, 본래 효율을 내지 못하는 결점이 있었다.
따라서 본 발명자는 이러한 종래의 결점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, [0019] 증류수와 황산카드뮴(Cadmium Sulfate Hydrate), 질산카드뮴(Cadmium Nitrate Hydrate), 황산구리(Copper Sulfate Hydrate), 황산코발트
(Cobalt Sulfate Hydrate), 붕산(H3BO3)을 혼합한 재생용액을 각 셀에 일정량 주입하여 약품의 활성화를 위하여 충방전을 해줌으로써 황산염을 제거하고 부식방지 및 수소발생을 억제하여 신품대비 95% 이상의 기능을 회복한 배터리를 재활용할 수 있도록 하는 재생용액을 제공함에 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.
본 발명의 과제 해결수단에 의해 달성되는 재생용액은 산업용 배터리를 재생하는 재생용액에 있어서,
증류수 93~97% 중량에 황산카드뮴(Cadmium Sulfate Hydrate), 황산구리(Copper Sulfate Hydrate), 질산카드뮴(Cadmium Nitrate Hydrate), 황산코발트(Cobalt Sulfate Hydrate), 붕산(H3BO3)을 혼합하여 이루어진 재생 시약을 3~6% 중량을 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명은 증류수와 황산카드뮴(Cadmium Sulfate Hydrate), 황산구리(Copper Sulfate Hydrate), 질산카드뮴(Cadmium Nitrate Hydrate), 황산코발트(Cobalt Sulfate Hydrate), 붕산(H3BO3) 등으로 이루어진 재생 시약을 첨가하여 구성하는 재생액을 각 셀에 일정량 주입하여 충방전을 시켜줌으로서 황산염을 제거하고 부식방지 및 수소발생을 억제하여 신품대비 95% 이상의 기능을 회복한 배터리를 재활용할 수 있도록 하는 재생용액을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 재생용액 구성 성분 5종을 일정배합으로 혼합하여 사용하는 것이며, 재생용액의 구성 성분 중 구리(Cu)는 수소가스 발생을 억제시켜 전해액의 비중변화 및 극판의 산화를 막아주고 카드뮴(Cd)과 질산이온(NO3-)은 산업용 배터리가 폐기되는 주원인인 과다 생성된 황산염(Hard Suiphation) 제거 및 생성을 억제하여, 황산염(부도체) 제거에 의한 전류밀도의 증대로 전류의 원활한 상태로 회복시키며 코발트(Co)는 격리판을 강화시켜 주는 역할을 하여 배터리의 성능을 유지시켜주는 것이며, 붕산(H3BO3)은 전기 화학작용으로 인한 열화와 내부저항을 안정시키는 기능을 한다.
도 1 은 본 발명의 배터리용량별 재생액 투입 후 성능시험 결과 그래프
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부시킨 도면에 따라서 상세하게 설명하기로 한다.
폐기되는 배터리의 기능을 신품 대비 95% 이상 재생, 복원할 수 있도록 함을 특징으로 하는 산업용 납산 폐배터리의 재활용과 기능향상을 위한 재생용액을 제조하기 위하여 상기의 재생용액 구성 성분 5종을 [황산카드뮴(Cadmium Sulfate Hydrate), 황산구리(Copper Sulfate Hydrate)] 와 [황산카드뮴(Cadmium Sulfate Hydrate),
산화카드뮴(Cadmium Nitrate Hydrate), 황산코발트(Cobalt Sulfate Hydrate), 붕산(H3BO3)]으로 각 성분별 역할에 따라 일정비율이 되도록 혼합하여 폐배터리 재생효율 테스트, 성분분석 실험을 진행하였다.
약품 샘플에 대하여 그 조성을 보다 과학적으로 분석하고 증류소 용액에서의 염기반응 등을 규명하기 위하여 EDS 측정 데이터를 해석한 결과 O, Cd, Cu, S, C Co, N, H, BO 등의 원소가 구성 성분임을 확인할 수 있었다.
하지만 전처리 과정, 측정방법, 구성성분의 함량 등의 조건을 고려하였을 경우에 대하여도 명확하게 규명하기 위하여, 앞서 확인한 성분들이 존재할 가능성이 크다는 전제하에 향후 성분분석 실험을 계획하고 진행하였다.
1. 분석 과정 및 측정기기
가장 먼저 향후 분석 시 샘플의 측정 기기별 전처리 방법과 기초적인 성상을 알아보기 위하여 두 샘플의 물리적인 특성을 조사한 후 아래와 같은 분석기기를 활용하여 약품 샘플의 주요 구성 원소, 양이온, 음이온, 화학적 결합형태, 조성비 등을 순차적으로 분석하였다.
1) Elemental Analyzer(원소분석기)
유기 화합물의 주성분인 C, H, N, S를 정량하는 장비로서, 1,800도에서 연소시킨 시료의 연소기체를 고순도의 Cu로 환원시킨 후 각각의 컬럼에 흡착시킨 후 열을 가해 탈착시켜 그 양을 정량한다.
2) 유도 결합 플라즈마 분광광도계(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer)
고주파수로 유도된 고온(6000K이상)의 알곤 플라즈마(Argon plasma)에 시료 용액을 분무하면 시료의 원자는 들뜨게 되고, 이때 방출되는 빛을 분광시켜 광전증배관에서 검출하여 수중이나 토양, 식품 등의 시료 속의 무기원소를 정량, 정성분석 한다.
3) ion chromatograph
액체시료를 이온교환컬럼에 고압으로 전개시켜 분리되는 각 성분의 크로마토그램을 작성하여 분석하는 고성능 액체 크로마토그래피의 일종으로서 물 시료 중의 음이온(F-, Cl-, NO2-, NO3-, PO43-, Br- 및 SO42)의 정성분석 및 정량분석에 이용한다.
4) X-선 회절분석기(X-ray Diffractometer)
고체 무기물질의 결정구조 분석에 사용하는 기기로 결정성 시료에 X-ray를 조사시켜 시료 표면에서 회절되어 나오는 회절 패턴이 각 물질마다 고유한 형태임을 이용하여 시료의 결정구조를 분석, 분말시료의 화학결합 확인,물질규명 등에 사용한다.
5) 퓨리에변환적외선분광계(FT-IR/Spectrometer)
각기 다른 적외선영역의 빛을 흡수하는 분자내의 진동운동을 이용하여 유기화합물의 특정 작용기나 단일, 이중, 삼중 결합 등 결합상태를 알아내어 구조를 파악하는데 유용하다.
6) 열중량/시차열분석장치(Thermal Gravimetric/Differential Thermal Analyzer)
유, 무기 시료의 열적 거동을 분석하는 기기로서 시료에 열을 가하면서 시료의 상태변화(중량 변화, 열적 변화 등)를 기준 물질과 상대 비교하여 분석한다.
2. 각 항목별 분석 조건 및 결과
2-1. physical characteristic
본격적인 성분분석 실험에 앞서 각 샘플의 물리적인 특성인 외양, 용해도, pH, 수분함량 등을 조사하였으며 그 결과는 아래와 같다.
1) Appearance(외양) : B - solid, P - solid
2) Solubility in water (물 용해도) 5g/100ml : B - 완전용해, P - 완전용해
3) pH : B - 6~7, P - 6~7
4) Moisture content (수분 함량) : B - 5%, P - 7%
조사 결과 약품 샘플은 고체형태로 물에 대해 큰 용해도를 가지고 있었으며, pH는 중성을 나타내었다. 또한 약간의 수분을 함유하고 있는 것으로 확인되었다.
2-2. 원소분석기([0051] Elemental Analyzer)
그 결과 약품에서 탄소 성분은 검출되지 않았으며 약품 샘플에서는 N, S, H, BO 성분이 확인되었다. 이를 바탕으로 C 원소가 약품 샘플에서 검출되지 않았으므로 탄소 원소를 포함하는 형태의 유기물은 존재하지 않는 것으로 확인되었고, 약품 샘플에서 확인된 S, H 원소와 N, S, H 원소는 sulfate (SO42-)이온과 nitrate (NO3-)의 형태로 존재할 것이라 예상된다.
본 발명의 폐배터리 재생용액은 증류수 93~97% 중량에 황산카드뮴(Cadmium Sulfate Hydrate), 황산구리(Copper Sulfate Hydrate), 붕산(Boric Acid Sulfate Hydrate), 질산카드뮴(Cadmium Nitrate Hydrate), 황산코발트(Cobalt Sulfate Hydrate), 등으로 이루어진 재생 시약을 3~6% 중량을 첨가하여 구성하는 것이다.
상기 재생용액 5종 중, 적어도 4가지 이상은 혼합하여야 하며, 혼합하는 종류가 적을수록 효율이 저하됨을 알 수 있었다.
상기 재생용액의 구성 성분 중 구리(Cu)는 수소가스 발생을 억제시켜 전해액의 비중변화 및 극판의 산화를 막아주고 카드뮴(Cd)과 질산이온(NO3-)은 산업용 배터리가 폐기되는 주원인인 과다 생성된 황산염(Hard Suiphation) 제거 및 생성을 억제하여, 황산염(부도체) 제거에 의한 전류밀도의 증대로 전류의 원활한 상태로 회복시키며 코발트(Co)는 격리판을 강화시켜 주는 역할을 하며, 붕산(H3BO3)은 전기 화학 작용으로 인한 열화를 억제시켜 주며 내부저항을 안정시켜 배터리의 성능을 유지시켜준다.
성능이 떨어져 사용하지 못하는 산업용 폐배터리(지게차용) 5개를 수거하여 폐배터리의 상태를 파악한 후 본 발명의 배터리 재생액을 표 7과 같이 배터리의 용량별로 일정량 주입하여 충방전시킨 후 성능을 확인하여 재생 효율을 알아보았다.
2V 셀×6개(12V) 기준으로 저항평균치를 측정한 결과 초기 저항 측정값에서 약품 투입 후 작게는 0.4 mΩ에서 크게는 2.56mΩ 저항이 감소된 것을 알 수 있다. 저항이 높다는 것은 배터리 내부 극판의 황산염이 많다는 것을 나타내며, 상기 자료와 같이 저항이 감소한 수치는 재생용액이 황산염을 용해시켜 전류의 흐름이 활성화되었다는 것을 의미한다.
만 충전시킨 배터리를 일정 전류로서 규정 종지 전압 셀 당 (1.75V)까지 방전하였을 때의 방전량(방전 전류×방전 시간)을 용량이라 하며 암페어(Ampere-Hour=AH)의 단위로 표시한다. 따라서 이 용량이 곧 배터리의 출력을 표시하기 때문에 한번 충전한 후 일할 수 있는 작업량의 기본이 된다. 시험 결과 5개 배터리 모두 재생용액 주입 후 112~180 Ah 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
부하저항 값 역시 재생용액 주입 후 초기 값 보다 최종 값이 5개 배터리 모두 최소 0.99V 이상 증가하였다.
상기와 같은 측정값을 이용하여 폐배터리의 효율을 측정한 결과 재생용액을 주입하고 폐배터리를 충방전시킨 결과 5개 배터리 모두 신품대비 최소 92% 이상의 효율을 나타내었으며 재생용액 주입 전과 비교하였을 때 20~38% 상승하는 효과를 보았다.
도면의 간단한 설명에 포함
Claims (2)
- 산업용 배터리를 재생하는 재생용액에 있어서, 증류수 93~97% 중량에 황산카드뮴(Cadmium Sulfate Hydrate), 황산구리(Copper Sulfate Hydrate), 질산카드뮴(Cadmium Nitrate Hydrate), 황산코발트(Cobalt Sulfate Hydrate), 붕산(Boric Acid Sulfate Hydrate)로 이루어진 재생용액을 3~6% 중량을 첨가하여 구성하는 것을 특징으로 하는 산업용 납산 폐배터리의 재활용과 기능 향상을 위한 재생용액.
- 제 1항에 있어서,
재생용액은 황산카드뮴(Cadmium Sulfate Hydrate)7.90%, 황산구리(Copper Sulfate Hydrate)21.40%, 질산카드뮴(Cadmium Nitrate Hydrate)16%, 황산코발트(Cobalt Sulfate Hydrate)20.10%, 붕산(Boric Acid Sulfate Hydrate)34.60%을 혼합하여 이루어짐을 특징으로 하는 산업용 납산 폐배터리의 재활용과 기능향상을 위한 재생용액.
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| KR1020160028193A KR20170105677A (ko) | 2016-03-09 | 2016-03-09 | 산업용 폐배터리의 재활용과 기능향상을 위한 재생용액 |
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|---|---|---|---|---|
| KR102681667B1 (ko) | 2024-04-11 | 2024-07-03 | 임형진 | 폐배터리의 재생용 조성물 및 이를 이용한 폐배터리의 재생 방법 |
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2016
- 2016-03-09 KR KR1020160028193A patent/KR20170105677A/ko not_active Withdrawn
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| KR102681667B1 (ko) | 2024-04-11 | 2024-07-03 | 임형진 | 폐배터리의 재생용 조성물 및 이를 이용한 폐배터리의 재생 방법 |
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