KR20180042641A - 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치 및 이를 이용한 회수 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 양극으로부터 알루미늄 및 산화물계 양극활물질을 분리하여 상기 양극활물질을 회수하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치에 있어서, 상기 양극을 투입 가능하도록 양극투입공이 형성된 하우징과; 상기 하우징 내에 배치되며 상기 양극이 내부에 배치되도록 일단이 개방된 통형상의 매쉬(mesh)로 이루어진 회전매쉬부와; 상기 양극투입공을 통해 투입된 상기 양극이 상기 회전매쉬부의 회전축선을 따라 이동하도록 상기 회전매쉬부의 내부에 설치된 헬리칼부와; 상기 헬리칼부와 이격된 상기 회전매쉬부의 내부 영역에 설치되어 상기 알루미늄 및 상기 양극활물질이 구분하여 수집되도록 상기 알루미늄이 통과하는 금속통과공을 가지며, 상기 회전매쉬부 내부를 구획하도록 설치되는 구획디스크와; 상기 회전매쉬부의 외부에 배치되어 상기 회전매쉬부를 가열하는 가열부를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 산화 분위기 하에서 건식 방법을 통해 양극으로부터 양극활물질을 고유한 형상 그대로 쉽게 연속적으로 회수할 수 있으며, 얻어진 양극활물질을 그대로 리튬이차전지용 양극을 제조하는 데 적용가능한 효과를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치 및 이를 이용한 회수 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화 분위기 하에서 건식 방법을 통해 양극으로부터 양극활물질을 고유한 형상 그대로 쉽게 연속적으로 회수할 수 있으며, 얻어진 양극활물질을 그대로 리튬이차전지용 양극을 제조하는 데 적용가능한 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치 및 이를 이용한 회수 방법에 관한 것이다.
리튬이차전지는 고용량, 고출력 및 장수명 등의 우수한 성능을 가진 이차전지로써, 전자기기, 휴대용 컴퓨터, 휴대폰 등의 소형 전자제품에 광범위하게 활용되고 있다. 특히, 최근에는 녹색성장 및 신재생 에너지에 대한 관심이 집중됨에 따라 전기자동차가 상용화되면서 대용량 리튬이차전지의 수요가 급증할 것으로 예상되고 있다. 이와 같이 리튬이차전지 시장 및 산업이 급속히 성장할 것으로 예견되고는 있으나, 양극활물질에 필수적인 금속인 리튬(Li)이나 이와 관련된 화합물은 국내에는 부존되어 있지 않기 때문에 전량 해외에서 수입하여 사용되고 있다. 따라서 부존자원이 없는 국가에서는 리튬이차전지 제조공정에서 발생하는 양극 스크랩 또는 사용 후에 폐기되는 리튬이차전지 양극활물질을 회수하여 재활용하는 것이 필요하다.
리튬이차전지의 양극으로부터 리튬 등의 각종 금속이나 화합물을 추출 또는 회수하는 종래 기술로는 '대한민국특허청 등록특허 제10-0832900호 리튬 전지의 처리 방법' 및 '대한민국특허청 등록특허 제10-1244632호 폐휴대용기기로부터 유기금속을 회수하는 방법'과 같이 폐 리튬이차전지로부터 분리한 양극을 염산(hydrochloric acid), 황산(sulfuric acid), 질산(nitric acid) 또는 옥살산(oxalic acid)으로 용해한 다음 알칼리로 중화시켜 코발트(Co), 니켈(Ni) 등을 수산화물로 침전시켜 회수하는 공정을 사용하거나 용매추출법으로 양극 용해액으로 부터 코발트, 망간, 니켈 등의 금속을 분리하는 방법을 사용하였다. 이와 같은 종래 기술들은 주로 코발트 및 니켈의 회수가 목적이었으며, 리튬은 코발트 및 니켈보다 저렴하기 때문에 회수를 따로 진행하지 않았다. 하지만 리튬 자원이 매우 한정되어 있고, 전기자동차용 대용량 리튬이차전지는 코발트 혹은 니켈이 함유되지 않은 인산화물계 LiFePO4를 양극활물질로 사용할 가능성이 높기 때문에 앞으로는 리튬이나 관련화합물 회수 또는 재활용에 보다 큰 관심이 집중될 것으로 보인다.
종래의 산화물계 양극활물질 회수를 위한 처리 방법은 대부분 양극을 강산성 용액으로 용해시킨 다음, 용해액 중의 리튬, 코발트, 니켈과 같은 고가 금속을 상호 분리하여 회수하는 방법을 사용하기 때문에 우선 각각의 금속을 고순도로 분리시키기 위한 공정비용이 과다하게 소요될 뿐만 아니라 양극 용해시 강산을 사용해야 하기 때문에 대기 중으로의 증발에 의한 심각한 환경오염과, 특히 산에 의한 설비 부식 등의 문제가 매우 심각하다. 또한 산화기체 분위기 하에서 인산염계 양극활물질을 회수할 경우 인산염(LiFePO4)을 예로 들면 원하는 FePO4 이외에도 Fe2P2O7과 같은 부산물이 생성되며, 비활성기체 분위기 하에서 회수할 경우 바인더가 제대로 탄화되지 않아 양극활물질과 바인더의 분리가 제대로 이루어지지 않으며 이로 인해 양극활물질의 회수가 용이하지 않다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 산화 분위기 하에서 건식 방법을 통해 양극으로부터 양극활물질을 고유한 형상 그대로 쉽게 연속적으로 회수할 수 있으며, 얻어진 양극활물질을 그대로 리튬이차전지용 양극을 제조하는 데 적용가능한 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치 및 이를 이용한 회수 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 양극으로부터 알루미늄 및 산화물계 양극활물질을 분리하여 상기 양극활물질을 회수하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치에 있어서, 상기 양극을 투입 가능하도록 양극투입공이 형성된 하우징과; 상기 하우징 내에 배치되며 상기 양극이 내부에 배치되도록 일단이 개방된 통형상의 매쉬(mesh)로 이루어진 회전매쉬부와; 상기 양극투입공을 통해 투입된 상기 양극이 상기 회전매쉬부의 회전축선을 따라 이동하도록 상기 회전매쉬부의 내부에 설치된 헬리칼부와; 상기 헬리칼부와 이격된 상기 회전매쉬부의 내부 영역에 설치되어 상기 알루미늄 및 상기 양극활물질이 구분하여 수집되도록 상기 알루미늄이 통과하는 금속통과공을 가지며, 상기 회전매쉬부 내부를 구획하도록 설치되는 구획디스크와; 상기 회전매쉬부의 외부에 배치되어 상기 회전매쉬부를 가열하는 가열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 회전매쉬부의 하부에 배치되어 상기 양극활물질이 부유하도록 공기를 공급하는 공기공급부를 포함하며, 상기 회전매쉬부 내로 투입된 상기 양극이 자유낙하하도록 상기 하우징의 기울임 각도를 조절가능한 각도조절부가 상기 하우징에 결합된 것이 바람직하다.
또한, 상기 구획디스크를 기준으로 양극활물질포집구 및 금속포집구가 상기 하우징에 서로 이격배치되는데, 상기 양극활물질포집구에는 양극활물질집진부가 결합되며, 상기 양극활물질집진부는, 상기 하우징 내의 공기를 흡입하는 공기흡입부와; 상기 공기흡입부를 통해 흡입되는 상기 양극활물질이 중력에 의해 집진되는 사이클론부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 구획디스크는 상기 회전매쉬부의 회전축선을 따라 복수 개가 이격 배치되며, 상기 구획디스크와 동일한 회전축선 상에 형성되며 상기 회전매시부와 상기 하우징 사이의 영역을 차단하는 보조디스크를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 금속통과공은 상기 구획디스크의 외주면에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 회전매쉬부의 타단은 외부로부터 상기 회전매쉬부의 내부로 접근이 차단되도록 폐쇄되며, 상기 하우징을 관통하여 일단은 상기 회전매쉬부의 타단과 결합되며, 타단은 회전모터와 결합되어 상기 회전모터의 회전운동을 상기 회전매쉬부로 전달하는 회전축을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 헬리칼부는 상기 회전매쉬부 전체 길이 중 10 내지 50% 만큼 형성되며, 상기 양극투입공은 상기 하우징의 축선을 기준으로 하부 영역에 형성되는 것이 바람직하다.
상기한 목적은 또한, 상기의 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치를 준비하는 단계와; 상기 양극을 상기 회전매쉬부 내에 투입하는 단계와; 상기 회전매쉬부를 회전 및 가열하여 상기 양극에 포함된 바인더를 탄화시키는 단계와; 상기 회전매쉬부를 회전하여 상기 바인더의 탄화에 의해 상기 양극으로부터 분리된 알루미늄 및 양극활물질을 분리하여 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극활물질 회수 방법에 의해서도 달성된다.
여기서, 상기 양극활물질을 분리하여 배출하는 단계 이후에, 배출된 상기 양극활물질을 포집하는 단계를 포함하며, 상기 회전매쉬부를 가열하는 온도는 400 내지 600℃인 것이 바람직하다.
또한, 상기 양극은 폐전지로부터 회수한 양극전극 또는 양극을 절단한 후 남겨진 양극스크랩이며, 상기 양극활물질은 리튬(Li), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면 산화 분위기 하에서 건식 방법을 통해 양극으로부터 양극활물질을 고유한 형상 그대로 쉽게 연속적으로 회수할 수 있으며, 얻어진 양극활물질을 그대로 리튬이차전지용 양극을 제조하는 데 적용가능한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치의 단면도이고,
도 2는 구획디스크의 단면도이고,
도 3은 양극활물질 연속 회수 장치의 단면도이고,
도 4는 양극활물질 연속 회수 장치의 사시도이다.
도 2는 구획디스크의 단면도이고,
도 3은 양극활물질 연속 회수 장치의 단면도이고,
도 4는 양극활물질 연속 회수 장치의 사시도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치 및 이를 이용한 회수 방법을 성명한다. 본 발명의 장치 및 방법을 통해 알루미늄 박판, 양극활물질, 바인더로 구성된 양극극판을 산화분위기에서 바인더를 태워서 양극극판으로부터 알루미늄 박판과 양극활물질을 분리할 수 있다. 양극에서 분리되어 형성되는 양극활물질 입자의 경우 회전매쉬부를 통과하게 된다. 반면 알루미늄 박판은 크기가 커서 회전매쉬부를 통과할 수 없어 회전매쉬부 내부에 머물게 되고, 이는 회전매쉬부가 회전함에 따라 둥글게 뭉쳐진다. 이를 통해 알루미늄 박판과 양극활물질이 분리되어 그 중 양극활물질을 회수하는 원리로 이루어진다.
리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 하우징(100), 회전매쉬부(200), 헬리칼부(300), 구획디스크(400), 가열부(500)를 포함한다.
하우징(100)은 길이방향으로 긴 통형상으로 이루어지며, 일단은 양극을 투입 가능하도록 양극투입공(110)이 형성되며, 타단은 외부에서 내부로 접근되는 것을 차단하도록 폐쇄된 형상으로 이루어진다.
회전매쉬부(200)는 긴 통형상으로 이루어진 하우징(100) 내에 배치되며, 하우징(100)과 마찬가지로 긴 통형상으로 이루어지는 데, 회전매쉬부(200)는 회전이 용이하도록 원통형상인 것이 가장 바람직하나 설계에 따라서 다각형 단면을 가지는 통형상이 될 수도 있다. 이러한 회전매쉬부(200)는 양극투입공(110)을 통해 투입되는 양극이 내부에 배치되도록 양극투입공(110)과 근접한 일단이 개방된 통형상의 매쉬로 이루어진다. 회전매쉬부(200)는 판 형상의 매쉬(mesh)를 양면이 서로 접촉하도록 말아 통형상이 되도록 형성된 것으로, 매쉬는 20 내지 100mesh로 이루어지는 것이 바람직하다. 20mesh 미만일 경우 양극활물질(1)이 외부로 제대로 빠져나가지 못하고 대부분 회전매쉬부(200) 내에 잔존하게 되며, 100mesh를 초과할 경우 양극활물질(1) 뿐만 아니라 양극활물질(1)로부터 분리되어야 하는 알루미늄 박판이 뭉쳐져 형성되는 알루미늄뭉치(3)도 함께 외부로 배출되어 양극활물질(1)과 섞이게 된다. 따라서 회전매쉬부(200)는 20 내지 100mesh로 이루어지는 것이 바람직하다.
회전매쉬부(200)의 타단은 회전축(610) 및 회전모터(600)와 결합되어 회전구동이 이루어진다. 회전축(610)은 하우징(100)의 타단을 관통하게 되고 회전축(610)의 일단은 회전매쉬부(200)의 타단과 결합되며, 회전축(610)의 타단은 회전모터(600)와 결합되어 회전모터(600)의 회전운동을 회전매쉬부(200)로 전달하는 역할을 한다. 즉 회전매쉬부(200)의 일단은 양극이 내부에 삽입되어 배치되도록 개방되며, 회전매쉬부(200)의 타단은 회전축(610)과 결합되도록 중앙영역이 폐쇄되는 구조로 이루어진다. 경우에 따라서 회전축(610)에는 베어링이 더 포함될 수 있는데, 일반적인 베어링은 고열로 인해 부식 문제가 있기 때문에 세라믹 베어링을 채용하는 것이 바람직하다.
양극투입공(110)을 통해 투입된 양극이 회전매쉬부(200)의 회전축선을 따라 이동하도록 회전매쉬부(200)의 내부에는 헬리칼(helical)부(300)가 설치된다. 헬리칼부(300)는 나선형의 날개 형상으로 이루어지며, 양극투입공(110)과 근접한 회전매쉬부(200)의 영역에 설치된다. 회전매쉬부(200)로 투입되는 양극이 회전매쉬부(200)의 회전에 의해 헬리칼부(300)를 따라 내부에서 회전하면서 축선방향을 따라 이동하게 되는데, 이로 인해 양극은 회전력을 갖게 되어 회전매쉬부(200)의 내부에서 지속적으로 회전이 이루어지면서 알루미늄 박판과 양극활물질(1)이 분리된다. 이때 양극이 헬리칼부(300)와 지속적으로 접촉할 경우 열 전달이 어려워 양극의 분리가 용이하게 이루어지지 않을 수 있다. 따라서 헬리칼부(300)는 회전매쉬부(200)의 전체 길이 중 10 내지 50% 만큼 형성되도록 설계하는 것이 바람직하다. 헬리칼부(300)가 회전매쉬부(200)의 전체 길이 중 10% 미만일 경우 양극이 충분한 회전력을 가질 수 없으며, 50%를 초과하게 되면 양극이 열을 전달받기 어려워 알루미늄 박판과 양극활물질(1)이 제대로 분리되지 않을 수 있다.
회전매쉬부(200) 내에서 헬리칼부(300)와 이격된 영역에는 구획디스크(400)가 형성된다. 구획디스크(400)는 회전매쉬부(200)의 내부 영역에 설치되어 알루미늄뭉치(3) 및 양극활물질(1)이 구분하여 수집되도록 설치된 구성요소로, 도 2에 도시된 바와 같이 알루미늄뭉치(3)가 통과하는 금속통과공(410)을 포함한다. 이러한 구획디스크(400)는 금속통과공(410)을 제외한 영역에서 서로 접근이 차단되도록 회전매쉬부(200) 내부를 구획하는 역할을 한다. 즉 회전매쉬부(200) 내에서 양극이 알루미늄 박판과 양극활물질(1)로 분리되면 비중이 큰 양극활물질(1)은 중력에 의해 더 이상 회전하지 않고 회전매쉬부(200)를 통과하여 하우징(100) 내부에 쌓이게 되고, 비중이 작은 알루미늄 박판은 알루미늄뭉치(3)로 뭉치게 되면서 회전매쉬부(200) 내부에서 부유하게 된다. 이렇게 부유하는 알루미늄뭉치(3)는 구획디스크(400)에 형성된 금속통과공(410)을 통과하게 되면서 양극활물질(1)과 분리된다.
경우에 따라서 양극활물질(1)과 제대로 분리되지 않은 일부 알루미늄뭉치(3)가 금속통과공(410)을 함께 통과할 수 있기 때문에, 이들에서 알루미늄뭉치(3)와 양극활물질(1)을 분리하기 위해 구획디스크(400)를 회전매쉬부(200)의 회전축선을 따라 복수 개를 이격 배치할 수도 있다. 또한 알루미늄뭉치(3)의 회전 및 이동은 회전매쉬부(200)의 외주면을 따라 주로 이루어지기 때문에 알루미늄뭉치(3)가 금속통과공(410)을 용이하게 통과하기 위해서는 구획디스크(400)의 중앙보다는 외주면에 금속통과공(410)이 형성되는 것이 바람직하다. 구획디스크(400)는 회전축(610)과 결합되는 회전매쉬부(200)의 타단에도 해당될 수 있다.
구획디스크(400)와 동일한 회전축선 상에 보조디스크(430)를 포함하는데, 보조디스크(430)는 회전매쉬부(200)와 하우징(100) 사이의 영역을 차단하는 역할을 한다. 이와 같은 보조디스크(430)는 회전매쉬부(200)와 하우징(100) 사이 영역을 차단하기 위해 도넛 형상으로 이루어지며, 차단을 통해 알루미늄뭉치(3) 포집 영역과 양극활물질(1) 포집 영역을 완벽히 구분한다.
도 1과 같이 구획디스크(400) 및 보조디스크(430)를 기준으로 구분된 알루미늄뭉치(3) 포집 영역과 양극활물질(1) 포집 영역에는 각각 금속포집구(130) 및 양극활물질포집구(150)가 하우징(100)에 서로 이격 배치되어 형성된다. 금속포집구(130)에는 구획디스크(400)를 통과하여 회전매쉬부(200)의 타단까지 부유하면서 이동하게 모이게 된 알루미늄뭉치(3)가 포집되며, 양극활물질포집구(150)에는 비중이 커 회전매쉬부(200)를 통과하여 하우징(100)으로 떨어진 양극활물질(1)이 포집된다. 경우에 따라서 양극활물질포집구(150)에는 양극활물질집진부(700)가 추가로 결합될 수 있다. 양극활물질집진부(700)는 하우징(100) 내의 공기를 흡입하는 공기흡입부(710)와, 공기흡입부(710)를 통해 흡입되는 공기 및 양극활물질(1) 중 양극활물질(1)이 중력에 의해 집진되는 사이클론부(730)를 포함한다. 즉 회전매쉬부(200)를 통과하여 하우징(100) 내에 쌓이게 되는 양극활물질(1)은 공기흡입부(710)를 통해 공기와 함께 흡입되며, 흡입되는 중에 중력에 의해 사이클론부(200)로 떨어지게 되어 최종적으로 양극활물질(1)이 포집된다.
도 3에 도시된 바와 같이 회전매쉬부(200)의 하부에 배치된 공기공급부(800)는 양극활물질(1)이 회전매쉬부(200) 내에서 부유하도록 상부를 향해 공기를 공급한다. 회전매쉬부(200) 내에서 회전되는 양극활물질(1)이 중력에 의해 일부 가라앉게 될 수 있는데, 이를 방지하기 위해 회전매쉬부(200)의 하부에서 공기를 공급하여 지속적으로 부유되도록 한다. 이러한 공기공급부(800)는 하우징(100)의 외부에 배치되며, 하우징(100)을 관통하는 노즐(810)에 의해 회전매쉬부(200)의 하부에 공기를 불어넣을 수 있게 된다. 공기공급부(800)는 하나가 설치될 수도 있지만 회전매쉬부(200)의 길이방향을 따라 복수 개가 이격 배치될 수도 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 회전매쉬부(200) 내로 투입된 양극이 자유낙하 하도록 하우징(100)의 기울임 각도를 조절가능한 각도조절부(900)가 하우징(100)에 결합된다. 각도조절부(900)는 회전매쉬부(200)의 일단에서 투입된 양극이 타단으로 이동하여 양극활물질(1)을 연속적으로 회수하도록 회전매쉬부(200)의 일단이 타단보다 높게 각도를 조절하여 별도의 구성요소 없이 양극이 일단에서 타단으로 이동할 수 있도록 한다. 이때 각도조절부(900)는 양극의 양 또는 양극의 투입속도에 따라 그 각도를 조절 가능하다.
회전매쉬부(200)의 외부 또는 하우징(100)의 외부에는 회전매쉬부(200)를 가열하는 가열부(500)를 포함한다. 가열부(500)는 양극을 가열하여 양극에 존재하는 바인더를 탄화시키는 역할을 수행하며, 바인더의 탄화에 의해 양극이 알루미늄뭉치(3)와 양극활물질(1)로 분해된다. 이러한 가열부(500)는 회전매쉬부(200)의 길이방향을 따라 복수 개가 설치되어 회전매쉬부(200)에 골고루 열 전달하는 것이 바람직하다. 가열부(500)는 회전매쉬부(100)의 상부에 배치되는 것이 바람직하며, 전달되는 열이 외부로 빠져나가지 않도록 양극투입공(110)은 하우징(100)의 중심축선을 기준으로 하부 영역에 형성되는 것이 바람직하다. 또한 바인더가 탄화되면서 발생되는 기체를 배출하기 위해 하우징(100)의 상부 영역에는 기체배출구(170)가 형성될 수도 있다.
본 발명의 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치(10)를 통해 양극활물질(1)을 회수하는 방법으로는 도 5에 도시된 바와 같이 먼저, 양극활물질 연속 회수 장치(10)를 준비한다(S1).
양극은 도전성 알루미늄 박판 상에 양극활물질층(1)이 형성된 구조로, 도전성 알루미늄 박판은 집전체의 기능을 수행하는 박판이다. 양극활물질층은 양극활물질(1)이 바인더와 혼합된 층으로 바인더가 양극활물질(1) 입자를 서로 묶어주어 형상을 유지할 수 있도록 하며, 바인더에 의해 양극활물질(1)과 알루미늄 박판이 결합된다. 여기서 양극활물질(1)은 리튬(Li), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하며, 더욱 상세하게는 LiCoO2, Li(NixMnyCoz)O2, LiMnO2 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.
리튬이차전지용 양극은 폐전지로부터 회수한 양극전극 또는 양극을 형성하기 위해 특정한 사이즈로 절단한 후 남은 외곽 자투리 영역과 같이 남겨진 양극스크랩을 사용하며, 양극전극 또는 양극스크랩에 포함된 산화물계 양극활물질(1)을 회수하는 것이 본 발명의 목적이다. 양극활물질 연속 회수 장치(10)는 본 발명에 따라 하우징(100), 회전매쉬부(200), 헬리칼부(300), 구획디스크(400), 가열부(500)를 포함하는 장치를 사용한다.
양극을 회전매쉬부(200) 내에 투입한다(S2).
양극전극 또는 양극스크랩인 양극으로부터 양극활물질(1)을 분리해내기 위해 양극활물질 연속 회수 장치(10)의 회전매쉬부(200) 내에 양극을 투입한다. 회전매쉬부(200)의 경우 20 내지 100mesh로 이루어져 있기 때문에 양극 중 입자 크기가 작은 양극활물질(1)은 하우징(100)으로 배출되고, 양극 중 부유하기 쉬운 알루미늄뭉치(3)는 부유상태로 남아있게 된다.
회전매쉬부(200)를 회전 및 가열하여 바인더를 탄화시킨다(S3).
양극이 내부에 배치된 회전매쉬부(200)를 회전시키면서 가열하여 양극에 포함된 바인더를 탄화시킨다. 가열부(500)의 온도를 상승시켜 회전매쉬부(200)를 가열하고, 온도가 증가하게 되면 양극에 포함된 바인더가 탄화하게 되어 바인더에 의해 서로 묶여있던 양극활물질(1) 입자들이 집전체로부터 분리된다. 이때 회전매쉬부(200)가 가열됨과 동시에 회전매쉬부(200)를 지속적으로 회전시키게 되는데, 회전매쉬부(200)가 회전됨에 의해 양극이 회전매쉬부(200) 내에서 돌아다니면서 골고루 가열되며 회전매쉬부(200)와 양극이 서로 부딪치면서 충격에 의해 양극으로부터 양극활물질(1)이 떨어져 나오게 된다. 만약 회전매쉬부(200)가 회전하지 않고 정지된 상태에서 가열할 경우 양극으로부터 양극활물질(1)이 떨어져 나오기가 용이하지 못하다.
회전매쉬부(200)를 가열하는 온도는 400 내지 600℃에서 이루어지는 것이 바람직한데, 온도가 400℃ 미만일 경우 바인더의 종류에 따라 일부 탄화되지 않는 바인더가 있을 수 있으며, 600℃를 초과할 경우 높은 온도에 의해 양극활물질(1)이 손상될 뿐만 아니라 경제성이 떨어진다. 회전매쉬부(200)의 회전 속도는 10 내지 120rpm이 바람직하다. 회전 속도가 10rpm 미만일 경우 회전매쉬부(200)로부터 하우징(100)으로 양극활물질(1)이 배출되지 않고 회전매쉬부(200)의 내부에 머무를 가능성이 높으며, 120rpm을 초과할 경우 회전속도에 의해 양극활물질(1)이 금속통과공(410)을 통과해버릴 수도 있다.
바인더를 탄화시킬 때 하우징(100)이 외부와 접촉가능한 개방된 상태이기 때문에 산화 분위기에서 탄화 가능한데, 산화 분위기에서 탄화시킬 경우 바인더가 탄화되면서 나오는 탄소(C)와 산화 분위기에서 나오는 산소(O)가 결합하여 이산화탄소(CO2)를 생성하게 되어 기체로 외부로 배출된다. 따라서 바인더가 이산화탄소로 배출되어 탄화된 바인더 잔여물이 거의 존재하지 않게 되며, 바인더로부터 양극활물질(1)을 분리하기 용이해진다. 이에 비해 종래의 경우 비활성 분위기 또는 환원 분위기에서 바인더를 탄화시키는데, 이 경우 바인더가 탄화되어 이산화탄소가 되지 않고 탄소 입자로 양극활물질과 혼합된 상태로 남기 때문에 양극활물질 표면으로부터 제거하기 쉽지 않다. 따라서 별도의 수세 과정 또는 산화 과정을 거치기 때문에 제조하는 데 번거로움이 있다.
회전매쉬부(200)를 회전하여 알루미늄뭉치(3) 및 양극활물질(1)을 분리하여 배출한다(S4).
회전매쉬부(200)를 회전하여 S3 단계에서 바인더의 탄화에 의해 양극으로부터 분리된 알루미늄뭉치(3) 및 양극활물질(1)을 회전매쉬부(200)의 외부로 각각 배출한다. 회전매쉬부(200)를 회전하지 않을 경우 회전매쉬부(200) 내에 알루미늄뭉치(3) 및 양극활물질(1)이 일부만 외부로 배출되고 대부분 회전매쉬부(200) 내에 잔존하게 된다. 또한 도전성 알루미늄 금속 박판이 뭉침이 가능하도록 서로 접촉되기 위해서는 회전매쉬부(200)를 지속적으로 회전시켜줘야 한다. 즉 회전매쉬부(200)의 회전을 통해 매쉬(mseh) 직경보다 작은 직경을 가지며 비중이 큰 양극활물질(1)은 하우징(100) 내로 배출되고, 비중이 가벼운 알루미늄뭉치(3)는 금속통과공(410)을 통과하여 알루미늄뭉치(3)와 양극활물질(1)이 용이하게 분리된다. 회전매쉬부(200)의 외부로 배출된 양극활물질(1)은 하부에 배치된 양극활물질집진부(700)에 모이게 되고 이를 통해 양극활물질(1)을 포집하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 방법으로 획득되는 산화물계 양극활물질(1)은 종래의 기술과 같이 양극활물질을 전구체로 만들어 침전시킨 후 산에 녹여 획득하는 습식 방법과 달리 양극 자체를 가열한 건식 방법을 이용하며, 이를 통해 양극활물질(1)의 크기 및 형상을 그대로 유지한 채로 연속적으로 획득할 수 있다. 즉 이미 양극으로 사용된 또는 양극으로 사용되기 위해 최상의 상태로 제조된 양극활물질(1)을 고유 형상 그대로 회수하기 때문에 별도의 분쇄와 같은 과정을 거칠 필요가 없이 바로 사용할 수 있다. 본 발명의 통해 회수된 양극활물질(1)에 카본블랙 및 바인더를 혼합한 후 이를 도전성 알루미늄 금속 박판에 도포하여 회수된 양극활물질(1)을 추가 처리 없이 그대로 리튬이차전지용 양극 극판 제조에 사용할 수 있다. 따라서 종래의 전구체 제조, 소성을 통해 양극활물질 합성, 합성된 양극활물질에 카본블랙 및 바인더를 혼합하여 양극 극판을 제조하는 것에 비해 공정이 매우 간단해져 리튬이차전지의 제조 비용이 절감되는 장점이 있다.
1: 양극활물질
3: 알루미늄뭉치
10: 연속 회수 장치 100: 하우징
110: 양극투입공 130: 금속포집구
150: 양극활물질포집구 170: 기체배출구
200: 회전매쉬부 300: 헬리칼부
400: 구획디스크 410: 금속통과공
430: 보조디스크 500: 가열부
600: 회전모터 610: 회전축
700: 양극활물질집진부 710: 공기흡입부
730: 사이클론부 800: 공기공급부
810: 노즐 900: 각도조절부
10: 연속 회수 장치 100: 하우징
110: 양극투입공 130: 금속포집구
150: 양극활물질포집구 170: 기체배출구
200: 회전매쉬부 300: 헬리칼부
400: 구획디스크 410: 금속통과공
430: 보조디스크 500: 가열부
600: 회전모터 610: 회전축
700: 양극활물질집진부 710: 공기흡입부
730: 사이클론부 800: 공기공급부
810: 노즐 900: 각도조절부
Claims (16)
- 양극으로부터 알루미늄 및 산화물계 양극활물질을 분리하여 상기 양극활물질을 회수하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치에 있어서,
상기 양극을 투입 가능하도록 양극투입공이 형성된 하우징과;
상기 하우징 내에 배치되며 상기 양극이 내부에 배치되도록 일단이 개방된 통형상의 매쉬(mesh)로 이루어진 회전매쉬부와;
상기 양극투입공을 통해 투입된 상기 양극이 상기 회전매쉬부의 회전축선을 따라 이동하도록 상기 회전매쉬부의 내부에 설치된 헬리칼부와;
상기 헬리칼부와 이격된 상기 회전매쉬부의 내부 영역에 설치되어 상기 알루미늄 및 상기 양극활물질이 구분하여 수집되도록 상기 알루미늄이 통과하는 금속통과공을 가지며, 상기 회전매쉬부 내부를 구획하도록 설치되는 구획디스크와;
상기 회전매쉬부의 외부에 배치되어 상기 회전매쉬부를 가열하는 가열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 회전매쉬부의 하부에 배치되어 상기 양극활물질이 부유하도록 공기를 공급하는 공기공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 회전매쉬부 내로 투입된 상기 양극이 자유낙하하도록 상기 하우징의 기울임 각도를 조절가능한 각도조절부가 상기 하우징에 결합된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 구획디스크를 기준으로 양극활물질포집구 및 금속포집구가 상기 하우징에 서로 이격배치된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치. - 제 4항에 있어서,
상기 양극활물질포집구에는 양극활물질집진부가 결합되며,
상기 양극활물질집진부는, 상기 하우징 내의 공기를 흡입하는 공기흡입부와;
상기 공기흡입부를 통해 흡입되는 상기 양극활물질이 중력에 의해 집진되는 사이클론부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 구획디스크는 상기 회전매쉬부의 회전축선을 따라 복수 개가 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 구획디스크와 동일한 회전축선 상에 형성되며 상기 회전매시부와 상기 하우징 사이의 영역을 차단하는 보조디스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 금속통과공은 상기 구획디스크의 외주면에 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 회전매쉬부의 타단은 외부로부터 상기 회전매쉬부의 내부로 접근이 차단되도록 폐쇄되며,
상기 하우징을 관통하여 일단은 상기 회전매쉬부의 타단과 결합되며, 타단은 회전모터와 결합되어 상기 회전모터의 회전운동을 상기 회전매쉬부로 전달하는 회전축을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 헬리칼부는 상기 회전매쉬부 전체 길이 중 10 내지 50% 만큼 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 양극투입공은 상기 하우징의 축선을 기준으로 하부 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 연속 회수 장치. - 양극활물질 회수 방법에 있어서,
양극 및 제1 내지 11항 중 적어도 어느 한 항에 따른 양극활물질 연속 회수 장치를 준비하는 단계와;
상기 양극을 상기 회전매쉬부 내에 투입하는 단계와;
상기 회전매쉬부를 회전 및 가열하여 상기 양극에 포함된 바인더를 탄화시키는 단계와;
상기 회전매쉬부를 회전하여 상기 바인더의 탄화에 의해 상기 양극으로부터 분리된 알루미늄 및 양극활물질을 분리하여 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 회수 방법. - 제 12항에 있어서,
상기 양극활물질을 분리하여 배출하는 단계 이후에,
배출된 상기 양극활물질을 포집하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 회수 방법. - 제 12항에 있어서,
상기 회전매쉬부를 가열하는 온도는 400 내지 600℃인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 회수 방법. - 제 12항에 있어서,
상기 양극은 폐전지로부터 회수한 양극전극 또는 양극을 절단한 후 남겨진 양극스크랩인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 회수 방법. - 제 12항에 있어서,
상기 양극활물질은 리튬(Li), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 양극활물질 회수 방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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