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KR20250145750A - Method for removing impurities including fluorine and obtaining valuable metals from waste batteries - Google Patents

Method for removing impurities including fluorine and obtaining valuable metals from waste batteries

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Publication number
KR20250145750A
KR20250145750A KR1020240042962A KR20240042962A KR20250145750A KR 20250145750 A KR20250145750 A KR 20250145750A KR 1020240042962 A KR1020240042962 A KR 1020240042962A KR 20240042962 A KR20240042962 A KR 20240042962A KR 20250145750 A KR20250145750 A KR 20250145750A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fluorine
crushing
removal
valuable metals
aqueous solution
Prior art date
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Pending
Application number
KR1020240042962A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
강호진
신동민
Original Assignee
메탈리젠 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 메탈리젠 주식회사 filed Critical 메탈리젠 주식회사
Priority to KR1020240042962A priority Critical patent/KR20250145750A/en
Publication of KR20250145750A publication Critical patent/KR20250145750A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/54Reclaiming serviceable parts of waste accumulators
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    • C22B1/005Preliminary treatment of scrap
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    • C22B3/00Extraction of metal compounds from ores or concentrates by wet processes
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Abstract

본 발명은 중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법에 관한 발명으로, 중대형 폐전지 배터리셀을 탄산나트륨(Na2CO3)수용액에 침지하여 방전하는 알칼리 수중 방전 단계(S10), 알칼리 수중 방전 단계(S10)를 거친 배터리셀을 탄산칼슘(CaCO3)수용액에 투입하여 파쇄하고 불소화합물을 화학반응으로 제거하는 파쇄 및 불소 제거 단계(S20), 파쇄 및 불소 제거 단계(S20)를 거친 파쇄물을 열풍 건조하고 비중 분리하여 분리막이 제거된 분쇄물을 수득하는 분리막 제거 및 분급 단계(S30), 파쇄 및 불소 제거 단계(S20)를 거친 분쇄물을 농황산과 반응하여 전해염을 제거하고 잔류 유기물질을 열분해하는 전해염 제거 및 열처리 단계(S40), 전해염 제거 및 열처리 단계(S40)를 거친 피열물을 분말화하고 입도 선별하여 유가금속을 함유하는 블랙 매스를 수득하는 분쇄 및 분급 단계(S50);를 포함하여 구성함에 따라, 전기차나 에너지 저장 시스템에 사용된 리튬이온전지를 재활용하기 위하여 유가금속을 회수하는 과정에서 각종 불순물을 단계적으로 제거하고 이 과정에서 발생하는 환경오염물질을 처리하여 보다 친환경적으로 고품질의 블랙 매스를 수득할 수 있는 것이 특징이다.The present invention relates to a method for removing impurities including fluorine from medium- to large-sized spent batteries and obtaining valuable metals, comprising: an alkaline water discharge step (S10) in which medium- to large-sized spent battery cells are immersed in a sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution and discharged; a crushing and fluorine removal step (S20) in which the battery cells that have gone through the alkaline water discharge step (S10) are put into a calcium carbonate (CaCO 3 ) aqueous solution to crush and remove fluorine compounds through a chemical reaction; a separator removal and classification step (S30) in which the crushed materials that have gone through the crushing and fluorine removal step (S20) are dried with hot air and separated by gravity to obtain a pulverized material from which a separator has been removed; an electrolyte salt removal and heat treatment step (S40) in which the pulverized materials that have gone through the crushing and fluorine removal step (S20) are reacted with concentrated sulfuric acid to remove electrolyte salts and thermally decompose residual organic substances; and a waste material that has gone through the electrolyte salt removal and heat treatment step (S40) is powdered and particle-sized to obtain valuable metals. By including a crushing and classification step (S50) for obtaining black mass, it is characterized by being able to obtain high-quality black mass in a more environmentally friendly manner by removing various impurities in stages and treating environmental pollutants generated in the process during the process of recovering valuable metals for recycling lithium-ion batteries used in electric vehicles or energy storage systems.

Description

중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법{METHOD FOR REMOVING IMPURITIES INCLUDING FLUORINE AND OBTAINING VALUABLE METALS FROM WASTE BATTERIES}Method for removing impurities including fluorine and obtaining valuable metals from medium- to large-sized waste batteries

본 발명은 중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법에 관한 발명으로, 더욱 상세하게는 전기차나 에너지 저장 시스템에 사용된 리튬이온전지를 재활용하기 위해 니켈, 코발트, 방간, 리튬 등의 유가금속을 회수하는 과정에서 리튬이온전지에 포함된 기타 물질들을 단계적으로 제거하고, 이 과정에서 발생하는 환경오염물질을 효과적으로 처리하여 보다 친환경적으로 고품질의 블랙 매스를 수득하도록 하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a method for removing impurities including fluorine from medium- to large-sized waste batteries and obtaining valuable metals, and more specifically, to a technology for gradually removing other substances contained in lithium-ion batteries in the process of recovering valuable metals such as nickel, cobalt, fluorine, and lithium for recycling lithium-ion batteries used in electric vehicles or energy storage systems, and effectively processing environmental pollutants generated in the process to obtain high-quality black mass in a more environmentally friendly manner.

일반적으로, 리튬이온전지는 에너지 밀도가 높아 각종 전자기기에 널리 적용되는 이차전지로서 양극과 음극 사이의 전해질을 통해 리튬 이온이 이동하는 전기적 흐름에 따라 전기를 발생한다. In general, lithium-ion batteries are secondary batteries that are widely used in various electronic devices due to their high energy density. They generate electricity according to the electrical flow of lithium ions moving through the electrolyte between the positive and negative electrodes.

이차전지의 최소단위인 배터리셀은 용기 내에 양극재, 음극재, 전해질, 및 분리막으로 구성되며, 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 분리막을 통과하여 음극 으로 이동하고 방전 시에는 음극에서 양극으로 이동하도록 이루어진다. The battery cell, which is the smallest unit of a secondary battery, is composed of a cathode material, an anode material, an electrolyte, and a separator inside a container. When charging, lithium ions move from the anode through the separator to the cathode, and when discharging, they move from the cathode to the anode.

이차전지의 양극재에는 니켈, 망간, 코발트, 알루미늄 등이 사용되고 음극재는 음극활물질인 흑연(Graphtie)이 사용된다. 전해질은 리튬, 인산, 불소로 이루어지는 리튬염 및 유기 용매로 이루어진다. The cathode materials used in secondary batteries include nickel, manganese, cobalt, and aluminum, while the anode material is graphite, an anode active material. The electrolyte is composed of a lithium salt (e.g., lithium, phosphoric acid, and fluorine) and an organic solvent.

한편, 최근 전기차 시장의 확대 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 사용 증가로 인해 사용 후 폐기되는 중대형 폐전지의 발생량 역시 기하급수적으로 증가할 것으로 전망하고 있다. 상술한 바와 같이 이차전지 내에는 리튬, 니켈, 망간, 코발트 등의 유가금속이 활물질로서 함유되어 있으므로 폐전지로부터 광물자원을 회수하기 위한 재활용 기술의 개발이 다양하게 진행되고 있다.Meanwhile, the recent expansion of the electric vehicle market and the increased use of energy storage systems (ESS) are expected to exponentially increase the generation of medium- to large-sized waste batteries. As mentioned above, secondary batteries contain valuable metals such as lithium, nickel, manganese, and cobalt as active materials. Therefore, various recycling technologies are being developed to recover mineral resources from these batteries.

공지된 기술의 일례로서, 한국등록특허 제 10 - 1275849 호에는 폐리튬이온전지를 0.5~10% 농도의 염화나트륨(NaCl) 수용액으로 처리하여 부식 방전하고, 전해질, 분리막, 전극 복합체 및 집전체를 포함하고 있는 리튬이온전지 폐기물을 5 내지 15 mm의 크기로 파쇄하는 단계와, 파쇄물을 물로 세척하여 전해질을 제거한 후 전해질이 제거된 파쇄물을 비중분리하여 분리막을 제거하는 단계와, 전해질 및 분리막이 제거된 파쇄물을 1~4M 농도의 황산 용액으로 처리하여 파쇄물 중 집전체에 부착되어 있는 전극 복합체를 집전체와 박리시켜 회수하는 단계를 포함하는 리튬이온전지 재생공정의 전처리방법을 구성한다.As an example of a known technology, Korean Patent No. 10-1275849 discloses a pretreatment method for a lithium-ion battery regeneration process, including the steps of treating a spent lithium-ion battery with a sodium chloride (NaCl) aqueous solution having a concentration of 0.5 to 10% to cause corrosion discharge, crushing the lithium-ion battery waste containing an electrolyte, a separator, an electrode composite, and a current collector into pieces of 5 to 15 mm in size, washing the crushed product with water to remove the electrolyte, and then subjecting the crushed product from which the electrolyte has been removed to gravity separation to remove the separator, and treating the crushed product from which the electrolyte and separator have been removed with a sulfuric acid solution having a concentration of 1 to 4 M to separate and recover the electrode composite attached to the current collector in the crushed product.

다른 예로서, 한국등록특허 제 10 - 2191858 호에는 폐리튬이온전지를 소정의 염수조에 침전시키는 폐리튬이온전지 염수 침전단계와, 폐리튬이온전지 염수 침전단계를 소정의 공정시간 동안 진행해서 폐리튬이온전지를 방전시키는 폐리튬이온전지 방전단계와, 방전이 완료된 상기 폐리튬이온전지를 절단기를 이용해서 소정의 크기로 절단하는 폐리튬이온전지 절단단계와, 소정의 크기로 절단된 절단 폐리튬이온전지를 건조기에 투입해서 소정의 건조 공정조건에서 건조하는 절단 폐리튬이온전지 건조단계와, 건조가 완료된 절단 폐리튬이온전지를 분쇄기에 투입해서 분쇄하는 절단 폐리튬이온전지 분쇄단계와, 분쇄기에 의해 분쇄된 가루를 선별기에 투입해서 분쇄 가루로부터 활물질인 코발트, 니켈, 망간, 탄소, 구리, 알루미늄 등의 원료를 선별하는 원료 선별단계를 포함하는 폐리튬이온전지의 원료 회수방법을 구성한다.As another example, Korean Patent No. 10-2191858 discloses a method for recovering raw materials of a waste lithium-ion battery, including a spent lithium-ion battery brine precipitation step of precipitating a spent lithium-ion battery in a predetermined brine tank, a spent lithium-ion battery discharge step of discharging the spent lithium-ion battery by performing the spent lithium-ion battery brine precipitation step for a predetermined process time, a spent lithium-ion battery cutting step of cutting the discharged spent lithium-ion battery into a predetermined size using a cutter, a cut spent lithium-ion battery drying step of inserting the cut spent lithium-ion battery cut into the predetermined size into a dryer and drying it under predetermined drying process conditions, a cut spent lithium-ion battery crushing step of inserting the dried cut spent lithium-ion battery into a crusher and crushing it, and a raw material selection step of selecting raw materials such as cobalt, nickel, manganese, carbon, copper, and aluminum, which are active materials, from the crushed powder by inserting the powder crushed by the crusher into a selector.

한국등록특허 제 10 - 1275849 호 (2013.06.17)Korean Patent No. 10-1275849 (June 17, 2013) 한국등록특허 제 10 - 2191858 호 (2020.12.16)Korean Patent No. 10-2191858 (December 16, 2020) 한국등록특허 제 10 - 1220149 호 (2013.01.11)Korean Patent No. 10-1220149 (January 11, 2013) 한국등록특허 제 10 - 1149762 호 (2012.06.01)Korean Patent No. 10-1149762 (June 1, 2012)

사용 후 리튬이온전지로부터 니켈, 코발트와 같은 유가금속을 회수하기 위해서는 폐전지를 파쇄 및 분쇄를 통해 분말화하고 열처리 과정을 통해 극판에 코팅되어있는 바인더와 같은 유기물질을 제거하여 양극활물질을 분리해야 한다. 그러나 사용 후 리튬이온전지 상에는 전기 에너지가 남아있으므로 별도의 방전처리 없이 파쇄 및 분쇄를 진행할 경우 물리적으로 양극과 음극이 접촉하게 되면서 쇼트가 발생하게 되고 내부에서 다량의 열이 발생하여 화재 및 폭발로 이어질 수 있다. To recover valuable metals like nickel and cobalt from used lithium-ion batteries, the batteries must be crushed and pulverized into powder, then heat-treated to remove organic substances like binders coated on the electrode plates, thereby separating the cathode active material. However, since electrical energy remains in used lithium-ion batteries, crushing and pulverizing them without separate discharge treatment can cause physical contact between the positive and negative electrodes, resulting in a short circuit and the generation of large amounts of internal heat, which can lead to fire or explosion.

따라서, 종래 기술에서는 폐전지에 남은 전기 에너지를 완전히 제거하기 위한 방전하는 단계, 방전된 폐전지를 파쇄하는 단계, 파쇄된 폐전지로부터 분리막을 제거하는 단계, 황산 처리하여 집전체를 분리하고 유가금속을 선별하여 회수하는 단계로 이루어진다.Therefore, the conventional technology comprises a discharging step to completely remove the remaining electric energy in a waste battery, a crushing step for the discharged waste battery, a removing step for the separator from the crushed waste battery, a sulfuric acid treatment step for separating the current collector, and a selection step for recovering valuable metals.

종래의 방전 단계는 폐전지를 염수가 포함된 충진조에 투입하는 방법과 폐전지를 방전이 가능한 설비에 전선으로 체결하여 폐전지 내부의 전기 에너지를 제거하는 방법이 일반적으로 적용된다. Conventional discharge steps generally involve placing the spent battery into a tank containing salt water and connecting the spent battery to a discharge-capable facility with a wire to remove the electrical energy inside the spent battery.

전기적 방전 방법은 중대형 폐전지를 대량으로 처리하기 위해 설비의 규모가 크게 증가하고 고가의 방전 설비를 구축하기 위한 경제적 측면에서 부담이 가중되며, 특히 전기적 방전 과정에서 특정 셀의 불량으로 인해 화재 및 폭발의 위험성이 있는 단점이 있다. The electrical discharge method has the disadvantage of requiring a large increase in the scale of facilities to process large quantities of medium- to large-sized waste batteries, increasing the economic burden of constructing expensive discharge facilities, and in particular, there is a risk of fire and explosion due to defects in specific cells during the electrical discharge process.

염수를 이용한 방전 방법은 폐전지를 염수에 투입하고 방전이 완료된 후 회수하여 다음 단계로 이동하기 때문에 안정성 측면에 이점이 있다. 그러나, 염수에 침지하여 방전하는 과정에서 폐전지가 염수에 의해 부식되면서 내부의 유기화합물, 불소화합물 등이 침출되어 다량의 폐수가 발생하게 되며, 염수에 활용되는 염화나트륨(NaCl)에 포함된 염소(Cl-) 이온이 다음 단계로 같이 이동하여 황산 처리 과정에서 염산으로 작용하여 설비 부식을 초래하게 된다. 아울러, 염수에 의한 수중 방전 시에도 수온이 상승하므로 초과 방전 시 내부 발화 가능성을 배제할 수 없는 문제가 있다.Discharging using brine has the advantage of safety because the spent batteries are immersed in brine, recovered after discharging, and moved to the next step. However, during the process of discharging by immersion in brine, the spent batteries corrode due to the brine, leaching internal organic compounds and fluorine compounds, generating a large amount of wastewater. In addition, the chlorine (Cl-) ions contained in the sodium chloride (NaCl) used in the brine move to the next step and act as hydrochloric acid during the sulfuric acid treatment, causing equipment corrosion. Furthermore, since the water temperature rises during underwater discharge using brine, there is a problem that the possibility of internal fire cannot be ruled out in case of excessive discharge.

또한, 종래 기술에서는 염수 방전된 폐전지를 파쇄기 또는 분쇄기를 이용해 파쇄하는 방식이 적용되고 있으나 이 과정에서 불소를 포함한 전해질 등의 화학물질이 외부로 유출되며, 황산 처리 과정에서도 불소 가스 형태로 배출되는 등 각 단계마다 불소를 포함한 유해물질이 배출되어 환경오염을 가중시키는 문제점이 있는 실정이다.In addition, in the conventional technology, a method of crushing spent batteries discharged in salt water using a crusher or grinder is applied, but in this process, chemicals such as electrolytes containing fluorine are leaked to the outside, and during the sulfuric acid treatment process, fluorine gas is also emitted, and harmful substances including fluorine are emitted at each stage, which aggravates environmental pollution.

이에 본 발명에서는 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서,Accordingly, the present invention has been invented to solve the problems of the prior art as described above.

중대형 폐전지 배터리셀을 탄산나트륨(Na2CO3)수용액에 침지하여 방전하는 알칼리 수중 방전 단계(S10),Alkaline water discharge step (S10) in which medium and large-sized waste battery cells are immersed in a sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution and discharged;

상기 알칼리 수중 방전 단계(S10)를 거친 배터리셀을 탄산칼슘(CaCO3)수용액에 투입하여 파쇄하고 불소화합물을 화학반응으로 제거하는 파쇄 및 불소 제거 단계(S20),A crushing and fluorine removal step (S20) in which the battery cell that has gone through the alkaline water discharge step (S10) is crushed by placing it in a calcium carbonate (CaCO 3 ) aqueous solution and the fluorine compound is removed through a chemical reaction;

상기 파쇄 및 불소 제거 단계(S20)를 거친 파쇄물을 열풍 건조하고 비중 분리하여 분리막이 제거된 분쇄물을 수득하는 분리막 제거 및 분급 단계(S30),A membrane removal and classification step (S30) for obtaining a pulverized material from which the membrane has been removed by hot air drying and gravity separation of the pulverized material that has gone through the above-mentioned crushing and fluorine removal step (S20),

상기 파쇄 및 불소 제거 단계(S20)를 거친 분쇄물을 농황산과 반응하여 전해염을 제거하고 잔류 유기물질을 열분해하는 전해염 제거 및 열처리 단계(S40),An electrolytic salt removal and heat treatment step (S40) in which the pulverized material that has gone through the above crushing and fluoride removal step (S20) is reacted with concentrated sulfuric acid to remove electrolytic salts and thermally decompose residual organic substances;

상기 전해염 제거 및 열처리 단계(S40)를 거친 피열물을 분말화하고 입도 선별하여 유가금속을 함유하는 블랙 매스를 수득하는 분쇄 및 분급 단계(S50);를 포함하여 구성함으로써, 전기차나 에너지 저장 시스템에 사용된 리튬이온전지를 재활용하기 위하여 유가금속을 회수하는 과정에서 각종 불순물을 단계적으로 제거하고 이 과정에서 발생하는 환경오염물질을 처리하여 보다 친환경적으로 고품질의 블랙 매스를 수득할 수 있는 목적 달성이 가능하다.By including a crushing and classification step (S50) for pulverizing and selecting the particle size of the waste material that has gone through the above-mentioned electrolyte salt removal and heat treatment step (S40) to obtain black mass containing valuable metals, it is possible to achieve the purpose of removing various impurities in stages and treating environmental pollutants generated in the process in order to recover valuable metals for recycling lithium-ion batteries used in electric vehicles or energy storage systems, thereby obtaining high-quality black mass in a more environmentally friendly manner.

본 발명은 전기차나 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 리튬이온전지를 재활용하기 위해 유가금속을 회수하는 과정에서 리튬이온전지에 포함된 기타 물질들을 단계적으로 제거하고, 이 과정에서 발생하는 환경오염물질을 효과적으로 처리하여 고품질의 블랙 매스를 수득하도록 하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a technology for gradually removing other substances contained in lithium-ion batteries during the process of recovering valuable metals for recycling medium- to large-sized lithium-ion batteries used in electric vehicles or energy storage systems, and for effectively treating environmental pollutants generated during this process to obtain high-quality black mass.

특히, 본 발명은 종래 기술에 따른 폐전지 재활용 과정에서 발생하는 유기화합물, 불소화합물 등으로 인한 환경오염문제를 해소하기 위해 각 단계별로 종래와 차별화된 구성을 통해 불소를 포함한 유해물질을 효과적으로 제거하고, 동시에 발화 가능성, 설비 부식 등의 문제를 저감할 수 있는 이점이 있다.In particular, the present invention has the advantage of effectively removing hazardous substances including fluorine through a configuration differentiated from the prior art at each stage in order to solve environmental pollution problems caused by organic compounds, fluorine compounds, etc. generated in the process of recycling waste batteries according to the prior art, and at the same time reducing problems such as the possibility of ignition and corrosion of equipment.

또한, 본 발명에 의해 제조된 불순물이 저감된 블랙메스(Black mass)의 경우 종래의 재활용 기술을 이용해 수득한 블랙메스에 비해 불소, 염소를 포함한 불순물 함량을 최소화하여 고품질화가 가능하고, 각 단계에서 발생하는 유해물질은 화학 반응을 통해 회수, 제거하여 친환경적인 재활용 공정이 실현 가능한 효과가 있다.In addition, in the case of the black mass with reduced impurities manufactured by the present invention, the content of impurities including fluorine and chlorine is minimized compared to the black mass obtained using conventional recycling technology, thereby enabling high quality, and the harmful substances generated at each stage are recovered and removed through chemical reactions, thereby enabling an eco-friendly recycling process.

따라서, 본 발명은 전기차 및 에너지 저장 시스템의 수요 확대 전망에 따라 폐전지의 재활용 공정에 적용하여 친환경적이고 안전성 및 효율성을 모두 충족할 수 있도록 하는 효과가 있다.Accordingly, the present invention has the effect of satisfying both environmental friendliness and safety and efficiency by being applied to the recycling process of waste batteries in line with the expected expansion in demand for electric vehicles and energy storage systems.

도 1은 본 발명에 따른 중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법의 공정 흐름도.
도 2의 Table 1은 파우치 셀을 기준으로 내부 구성 물질의 무게를 산출한 결과 예시표.
도 3의 Table 2는 본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 수중 방전 단계(S10)에 의한 방전전압과 종래 기술에 따른 수중 방전에 의한 방전전압 측정 결과 비교표.
도 4의 Table 3은 본 발명의 실시 예에 따라 최종 수득한 Black mass와, 종래의 재활용 프로세스로 제조된 상용 Black mass 샘플의 불소 및 염소 함량을 측정 결과 비교표.
Figure 1 is a process flow diagram of a method for removing impurities including fluorine from medium- to large-sized waste batteries and obtaining valuable metals according to the present invention.
Table 1 of Fig. 2 is an example of the results of calculating the weight of internal components based on the pouch cell.
Table 2 of FIG. 3 is a comparison table of the results of measuring the discharge voltage by the alkaline water discharge step (S10) according to an embodiment of the present invention and the discharge voltage by the water discharge according to the prior art.
Table 3 of FIG. 4 is a comparison table of the results of measuring the fluorine and chlorine contents of a black mass finally obtained according to an embodiment of the present invention and a commercial black mass sample manufactured by a conventional recycling process.

이하, 본 발명의 중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법의 바람직한 실시 예에 따른 구성과 작용을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기의 설명에서 당해 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 구현할 수 있는 부분에 대한 구체적인 설명은 생략될 수 있다. 아울러, 하기의 설명은 본 발명에 대하여 바람직한 실시 예를 들어 설명하는 것이므로 본 발명은 하기 실시 예에 의해 한정되는 것이 아니며 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 제공될 수 있음은 당연하다 할 것이다.Hereinafter, the configuration and operation of a preferred embodiment of a method for removing impurities including fluorine from medium- to large-sized spent batteries of the present invention and obtaining valuable metals will be described in detail with reference to the attached drawings. In the following description, specific descriptions of parts that can be easily implemented by those skilled in the art may be omitted. In addition, since the following description describes preferred embodiments of the present invention, the present invention is not limited to the following embodiments, and it will be understood that various modifications may be provided within a scope that does not depart from the scope of the present invention.

본 발명의 기술이 적용되는 중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법은 사용 후 리튬이온전지를 재활용하기 위하여 유가금속을 회수하는 과정에서 각종 불순물을 단계적으로 제거하고 이 과정에서 발생하는 환경오염물질을 처리하여 보다 친환경적으로 자원을 재활용하도록 하는 기술에 관한 것임을 주지한다.It is noted that the method for removing impurities including fluorine from medium- to large-sized waste batteries to which the technology of the present invention is applied and obtaining valuable metals relates to a technology for removing various impurities in stages in the process of recovering valuable metals for recycling used lithium-ion batteries and treating environmental pollutants generated in the process to recycle resources in a more environmentally friendly manner.

이를 위한 본 발명의 중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법은 알칼리 수중 방전 단계(S10), 파쇄 및 불소 제거 단계(S20), 분리막 제거 및 분급 단계(S30), 전해염 제거 및 열처리 단계(S40), 분쇄 및 분급 단계(S50)를 포함하여 구성하며 구체적으로는 하기와 같다.The method of removing impurities including fluorine from medium-sized and large-sized waste batteries of the present invention and obtaining valuable metals comprises an alkaline water discharge step (S10), a crushing and fluorine removal step (S20), a separator removal and classification step (S30), an electrolyte salt removal and heat treatment step (S40), and a crushing and classification step (S50), and is specifically as follows.

알칼리 수중 방전 단계(S10)는 중대형 폐전지 배터리셀을 탄산나트륨(Na2CO3)수용액에 침지하여 방전하는 단계이다.The alkaline water discharge step (S10) is a step in which medium- to large-sized waste battery cells are discharged by immersing them in a sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution.

알칼리 수중 방전 단계(S10)에서 탄산나트륨(Na2CO3)수용액은, 총중량에 대해 1 ~ 30wt%, 보다 바람직하게는 3 ~ 7wt%의 탄산나트륨(Na2CO3)을 물에 투입하여 조성한다.In the alkaline water discharge step (S10), a sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution is prepared by adding 1 to 30 wt%, more preferably 3 to 7 wt%, of sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) to water based on the total weight.

탄산나트륨은 수용액상에서 이온의 형태로 용해되어 전해질 역할을 수행하며 액상의 pH는 약알칼리성으로 조절된다. 탄산나트륨(Na2CO3)수용액에 의한 수중 방전 과정에서 발생하게 되는 이산화탄소는 침전조 내부를 비활성 분위기로 조성하여 방전 시 화재 발생 가능성을 저감하는 작용을 하도록 한다.Sodium carbonate dissolves in the form of ions in aqueous solutions and acts as an electrolyte, and the pH of the liquid is adjusted to be slightly alkaline. The carbon dioxide generated during the underwater discharge process using sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution creates an inert atmosphere inside the sedimentation tank, thereby reducing the possibility of fire during discharge.

본 발명에 따른 알칼리 수중 방전 단계(S10)에서는 폐전지의 전압이 1V 이하를 기준으로 종료 시점을 설정하도록 한다. 폐전지 내부에 잔존하는 미량의 전기 에너지는 후술하게 될 파쇄 및 불소 제거 단계(S20)에 의해 수중에서 파쇄를 진행함으로써 완전 방전까지 소요되는 시간을 단축할 수 있으므로 운영 조건에 따라 효율적인 관리가 가능하다 할 것이다.In the alkaline underwater discharge step (S10) according to the present invention, the termination point is set based on the voltage of the spent battery falling below 1 V. The trace amount of electrical energy remaining inside the spent battery can be shredded underwater in the shredding and fluoride removal step (S20) described below, thereby shortening the time required for complete discharge, thereby enabling efficient management according to operating conditions.

알칼리 수중 방전 단계(S10)에 투입되어 사용된 방전 후 액상은 고액 분리 단계(S11) 및 방전 액상 혼합 단계(S12)에 의해 알칼리 수중 방전 단계(S10)에서 탄산나트륨(Na2CO3)수용액으로 재사용하도록 구성한다.The discharged liquid phase used in the alkaline water discharge step (S10) is configured to be reused as a sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution in the alkaline water discharge step (S10) through a solid-liquid separation step (S11) and a discharge liquid mixing step (S12).

고액 분리 단계(S11)에서는 방전 후 액상을 여과장치로 이송하고 미립자 및 여과물질을 여과한다. 방전 액상 혼합 단계(S12)에서는 여과액상을 방전 용액 혼합조로 이송하여 액상의 농도를 재조절한다. 방전 후 액상 내 나트륨의 함량과 pH를 기준으로 추가로 탄산나트륨(Na2CO3)과 물을 혼합하여 방전 액상을 제조한다. 액상 내 나트륨은 1.5 ~ 3wt% 범위, 액상 내 pH는 8 ~ 9 범위 기준으로 관리하도록 한다.In the solid-liquid separation step (S11), the liquid phase after discharge is transferred to a filtering device, and fine particles and filtration substances are filtered. In the discharge-liquid mixing step (S12), the filtrate liquid phase is transferred to a discharge solution mixing tank to readjust the concentration of the liquid phase. After discharge, the discharge liquid phase is prepared by mixing sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) and water based on the sodium content and pH in the liquid phase. The sodium content in the liquid phase is managed within the range of 1.5 to 3 wt%, and the pH in the liquid phase is managed within the range of 8 to 9.

파쇄 및 불소 제거 단계(S20)는 알칼리 수중 방전 단계(S10)를 거친 배터리셀을 탄산칼슘(CaCO3)수용액에 투입하여 파쇄하고 불소화합물을 화학반응으로 제거하는 단계이다.The crushing and fluoride removal step (S20) is a step in which the battery cell that has gone through the alkaline water discharge step (S10) is placed in a calcium carbonate (CaCO 3 ) aqueous solution to crush it and remove fluoride compounds through a chemical reaction.

파쇄 및 불소 제거 단계(S20)에서는, 종래와 같은 상온 조건에 산소가 포함된 대기 분위기에서 파쇄를 진행 시 폐전지 내부에 전기 에너지가 잔존할 경우 화재 또는 폭발의 위험성이 있는 문제를 해소하기 위하여 수중 방전 및 비활성 분위기를 조성하는바, 수중 파쇄 시 폐전지의 절단 과정에서 육불화인산리튬염(LiPF6)과 같은 불소화합물이 수중 파쇄조로 유입되어 설비 부식을 야기하는 것은 물론, 별도의 불소제거 처리 없이 방류시 심각한 환경오염을 야기하는 문제가 발생한다.In the crushing and fluoride removal step (S20), in order to resolve the problem of risk of fire or explosion if electrical energy remains inside the spent battery when crushing is performed in an oxygen-containing atmosphere at room temperature as in the past, an underwater discharge and inert atmosphere are created. However, during underwater crushing, fluorine compounds such as lithium hexafluorophosphate (LiPF6) flow into the underwater crushing tank during the cutting process of the spent battery, causing corrosion of the equipment, and if discharged without separate fluoride removal treatment, serious environmental pollution occurs.

본 발명에 따른 파쇄 및 불소 제거 단계(S20)에서는 알칼리 수중 방전 단계(S10)를 거쳐 1V 이하로 방전된 배터리셀을 수중 파쇄조에 투입하고 일정 크기로 절단하여 후속되는 분리막 제거 및 분급 단계(S30)에서 분리막을 제거할 수 있도록 하며, 특히 파쇄 과정에서 폐전지 내부에 있는 불소가 포함된 화합물을 제거하도록 구성한다.In the crushing and fluorine removal step (S20) according to the present invention, a battery cell discharged to 1 V or less through an alkaline water discharge step (S10) is placed in an underwater crushing tank and cut into a certain size so that the separator can be removed in the subsequent separator removal and classification step (S30), and in particular, the crushing process is configured to remove compounds containing fluorine inside the spent battery.

파쇄 및 불소 제거 단계(S20)에서 수중 파쇄조에 투입하는 탄산칼슘(CaCO3)수용액은, 총중량에 대해 1 ~ 30wt%의 탄산칼슘(Na2CO3)을 물에 투입하여 조성한다.In the crushing and fluoride removal step (S20), the calcium carbonate (CaCO 3 ) aqueous solution introduced into the underwater crushing tank is prepared by adding 1 to 30 wt% of calcium carbonate (Na 2 CO 3 ) to the total weight into water.

파쇄 및 불소 제거 단계(S20)에 의해 수중 파쇄조에서 배터리셀을 파쇄 시 폐전지에서 유출되는 불소화합물은 하기 반응식 1 및 반응식 2에 의해 수분 및 탄산칼슘(CaCO3)수용액과 반응하여 불화칼슘(CaF2) 형태로 제거하도록 구성한다.When the battery cells are crushed in an underwater crushing tank by the crushing and fluoride removal step (S20), the fluorine compounds that flow out from the spent batteries are removed in the form of calcium fluoride (CaF 2 ) by reacting with water and a calcium carbonate (CaCO 3 ) aqueous solution according to the following reaction formulas 1 and 2.

육불화인산리튬(LiPF6)의 경우 리튬 이온(Li+)과 육불화인(PF6-)형태의 이온으로 이온화 반응을 하거나 불화리튬(LiF), 오불화인(PF5)형태로 존재할 수 있는바, 오불화인(PF5)이 수분과 반응 시 하기 반응식 1과 같이 반응 후 물질이 발생한다.In the case of lithium hexafluorophosphate (LiPF6), it can undergo an ionization reaction in the form of lithium ions (Li+) and phosphorus hexafluoride (PF6-) or can exist in the form of lithium fluoride (LiF) and phosphorus pentafluoride (PF5). When phosphorus pentafluoride (PF5) reacts with moisture, a substance is generated after the reaction as shown in the following reaction formula 1.

[반응식 1][Reaction Formula 1]

PF5 + 4H2O → H3PO4 + 5HFPF 5 + 4H 2 O → H 3 PO 4 + 5HF

불화수소(HF)는 부식성이 매우 강해 설비 부식에 치명적이며 인체 및 환경에도 유해한 물질이므로 본 단계에서는 탄산칼슘(CaCO3)수용액 상에서 파쇄하여 하기 반응식 2와 같은 반응을 유도하여 불소를 제거하면서 절단된 리튬이온전지를 수득하도록 구성한다.Hydrogen fluoride (HF) is highly corrosive and is fatal to equipment corrosion and is also harmful to humans and the environment. Therefore, in this step, it is crushed in a calcium carbonate (CaCO 3 ) aqueous solution to induce a reaction as shown in the following reaction formula 2, thereby removing fluorine and obtaining a cut lithium ion battery.

[반응식 2][Reaction Formula 2]

CaCO3 + HF → CaF2 + CO2 + H2OCaCO 3 + HF → CaF 2 + CO 2 + H 2 O

탄산칼슘(CaCO3)은 일반적으로 용해도가 낮으므로 파쇄 전에는 분말 형태로서 용해되지 않으나 불화수소(HF)의 형성에 따라 반응하게 되면서 서서히 소모되므로 공정의 운영조건과 처리량에 따라 상술한 범위 내에서 탄산칼슘의 투입량을 조절하도록 구성한다. 파쇄물의 크기는 후속되는 분리막 제거 및 분급 단계(S30)에서의 비중 분리를 고려하여 10mm × 10mm 내지 40mm × 40mm의 범위에서 조건에 맞게 절단 처리한다.Calcium carbonate (CaCO 3 ) generally has low solubility and is not dissolved in powder form before crushing, but is gradually consumed as it reacts with the formation of hydrogen fluoride (HF), so the amount of calcium carbonate input is adjusted within the above-described range depending on the operating conditions and processing volume of the process. The size of the crushed material is cut to suit the conditions within the range of 10 mm × 10 mm to 40 mm × 40 mm, taking into account the specific gravity separation in the subsequent separation membrane removal and classification step (S30).

파쇄 및 불소 제거 단계(S20)에서 상기 반응식 2와 같은 탄산칼슘(CaCO3)수용액과 불화칼슘(CaF2) 반응에 의해 생성되는 이산화탄소(CO2)는 수중 파쇄조 내부에서 비활성가스로 활용하여 발화 방지 작용을 하도록 구성한다.In the crushing and fluoride removal step (S20), carbon dioxide (CO 2 ) generated by the reaction between the calcium carbonate (CaCO 3 ) aqueous solution and calcium fluoride (CaF 2 ) as in the above reaction formula 2 is configured to be used as an inert gas inside the underwater crushing tank to prevent ignition.

분리막 제거 및 분급 단계(S30)는 파쇄 및 불소 제거 단계(S20)를 거친 파쇄물을 열풍 건조하고 비중 분리하여 분리막이 제거된 분쇄물을 수득하는 단계이다.The membrane removal and classification step (S30) is a step of hot-air drying and gravity separation of the crushed material that has gone through the crushing and fluorine removal step (S20) to obtain a crushed material from which the membrane has been removed.

분리막 제거 및 분급 단계(S30)에서는 파쇄 및 불소 제거 단계(S20)를 거쳐 회수한 리튬이온전지의 파쇄물을 탈수하고, 건조 열풍 기류를 이용해 표면의 수분을 제거한 후, 비중차 원리를 이용하여 상대적으로 가벼운 분리막을 제거한다. In the separator removal and classification step (S30), the lithium-ion battery waste recovered through the crushing and fluorine removal step (S20) is dehydrated, and the moisture on the surface is removed using a dry hot air stream, and the relatively light separator is removed using the specific gravity difference principle.

종래 기술에서는 분리막을 열처리 과정에서 태워서 제거하는 방식을 적용하고 있으나, 분리막이 연소 시 관로 내부에 스케일이 발생하여 고착되고 배관 막힘 현상을 초래하는 문제가 있다. In conventional technology, the separation membrane is removed by burning it during a heat treatment process, but there is a problem in that when the separation membrane is burned, scale is generated inside the pipe, which becomes stuck and causes pipe blockage.

따라서, 본 발명에서는 분리막 제거 및 분급 단계(S30)를 통해 극판에 비해 건조 속도가 빠르며 양극판 및 음극판에 비해 동일 면적 대비 무게가 가벼운 분리막을 비중차에 의해 분리하여 먼저 제거하고, 나머지는 전해염 제거 및 열처리 단계를 통해 분리하도록 구성한다. 하기 도 2의 Table 1은 파우치 셀을 기준으로 내부 구성 물질의 무게를 산출한 결과 예시이다.Therefore, in the present invention, the separator, which dries faster than the electrode plate and weighs less than the positive and negative electrode plates for the same area, is first removed by separating it by the difference in specific gravity through the separator removal and classification step (S30), and the remainder is separated through the electrolyte salt removal and heat treatment step. Table 1 of Figure 2 below is an example of the results of calculating the weight of the internal components based on the pouch cell.

비중분리 설비는 테이블형, 지그재그형, 기류분리형 등을 적용할 수 있으며 분리막을 양극판 및 음극판과 분리한다.The gravity separation equipment can be applied in table type, zigzag type, airflow type, etc., and separates the membrane from the positive and negative plates.

건조 설비는 열풍을 이용한 건조과정에서 일부 전해액의 증발이 이루어지므로 배기를 위한 통로를 설치한다. 증발된 전해액은 냉각 포집이나 연소 시설을 통한 소각을 거친 후에도 불소화합물이 포함될 수 있는바, 건조 시 증발하는 전해액에 포함된 불소화합물은 수산화칼슘(Ca(OH)2)수용액이 충진된 반응조로 기류를 이동하여 접촉시키고 수산화칼슘(Ca(OH)2)수용액을 버블링하여 불소를 불화칼슘염(CaF2)으로 침전 과정을 거치며, 이후 스크러버와 같은 대기환경시설로 이송하여 처리한다. Since some of the electrolyte evaporates during the drying process using hot air, the drying facility installs a passage for exhaust. The evaporated electrolyte may contain fluorine compounds even after being incinerated through a cooling capture or combustion facility. The fluorine compounds contained in the electrolyte that evaporates during drying are brought into contact with a reaction tank filled with a calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) aqueous solution by moving the air current, and the calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) aqueous solution is bubbled to precipitate fluorine into calcium fluoride salt ( CaF2 ). Afterwards, it is transferred to an air environment facility such as a scrubber for treatment.

분리막 제거 및 분급 단계(S30)에서 분리막이 제거된 파쇄물은 1차적으로 분말화하여 약 300㎛ 내지 1mm 이하로 입도를 균일하게 조절하여 분쇄물을 수득한다. 분쇄 과정에서 발생되는 미분은 집진기와 연결된 사이클론을 통해 회수한다.In the membrane removal and classification step (S30), the crushed material from which the membrane has been removed is first pulverized to obtain a pulverized material by uniformly adjusting the particle size to approximately 300 μm to 1 mm or less. The fine particles generated during the pulverization process are recovered through a cyclone connected to a dust collector.

전해염 제거 및 열처리 단계(S40)는 파쇄 및 불소 제거 단계(S20)를 거친 분쇄물을 농황산과 반응하여 전해염을 제거하고 잔류 유기물질을 열분해하는 단계이다.The electrolytic salt removal and heat treatment step (S40) is a step in which the pulverized material that has gone through the crushing and fluorine removal step (S20) is reacted with concentrated sulfuric acid to remove the electrolytic salt and thermally decompose the residual organic substances.

전해염 제거 및 열처리 단계(S40)에서는 전해염의 제거를 위해서 황산의 농도가 95wt% 이상의 고농도 황산을 이용한 탈수 반응 및 황산기의 치환 반응을 통해 불소를 제거하고, 잔류 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 등과 같은 유기물질을 제거한다.In the electrolytic salt removal and heat treatment step (S40), fluorine is removed through a dehydration reaction and a substitution reaction of sulfuric acid groups using high-concentration sulfuric acid with a concentration of 95 wt% or more to remove the electrolytic salt, and organic substances such as residual PVDF (Polyvinylidene Fluoride) are removed.

사용 후 리튬이온전지 상의 유가금속을 회수하기 위해서는 극판과 양극활물질을 분리하기 위해 바인더와 같은 유기물질을 약 500 ~ 700℃에서 열분해하여 제거하는 것이 일반적인 바, 전해액을 구성하는 물질 중 전해염(LiPF6)은 열처리 후에도 잔존하여 최종 수득 물질인 블랙 매스에 포함되게 된다. In order to recover valuable metals from lithium-ion batteries after use, it is common to remove organic substances such as binders by thermal decomposition at about 500 to 700°C to separate the electrode plates and cathode active materials. However, among the substances that make up the electrolyte, the electrolyte salt (LiPF6) remains even after heat treatment and is included in the final obtained substance, black mass.

블랙 매스에 전해염(LiPF6) 등과 같은 불소 화합물이 표함된 채로 니켈, 코발트 등의 유가금속을 황산염 형태로 회수하는 습식제련기술을 활용 시에는 전해염 내의 불소가 선택적 금속 회수를 위한 용매추출과정에서 추출제와 결합하거나 폐수의 형태로 방류되어 환경오염을 유발할 수 있다. 따라서, 본 발명의 전해염 제거 및 열처리 단계(S40)에서는 분리막 제거 및 분급 단계(S30)를 통해 1차적으로 분쇄된 물질을 농황산에 혼합하여 탈수 반응과 함께 치환 반응을 이용해 불소화합물 상의 불소를 제거하는 반응을 유도하도록 구성한다.When utilizing a wet refining technology to recover valuable metals such as nickel and cobalt in the form of sulfate while containing fluorine compounds such as electrolyte salt (LiPF6) in black mass, the fluorine in the electrolyte salt may combine with the extractant during the solvent extraction process for selective metal recovery or be discharged in the form of wastewater, causing environmental pollution. Therefore, in the electrolyte salt removal and heat treatment step (S40) of the present invention, the material that has been primarily pulverized through the membrane removal and classification step (S30) is mixed with concentrated sulfuric acid to induce a reaction to remove fluorine in the fluorine compound using a substitution reaction along with a dehydration reaction.

전해염 제거 및 열처리 단계(S40)에서는 분쇄물과 농황산의 고액비는 1 : 0.5 내지 1 : 3 범위, 보다 바람직하게는 1 : 1 내지 1 : 2에서 반응을 수행하고, 60 ~ 80℃에서 30 ~ 120분 동안 반응하여 전해염을 제거하도록 구성한다. 황산의 농도가 90wt% 보다 낮으면 분쇄물질과 반응할 수 있으므로 95wt% 이상의 농황산을 적용한다.In the step of removing and heat treating the electrolyte salt (S40), the solid-liquid ratio of the pulverized material to the concentrated sulfuric acid is in the range of 1:0.5 to 1:3, more preferably 1:1 to 1:2, and the reaction is performed at 60 to 80°C for 30 to 120 minutes to remove the electrolyte salt. If the concentration of sulfuric acid is lower than 90 wt%, it may react with the pulverized material, so concentrated sulfuric acid of 95 wt% or more is used.

전해염 제거 및 열처리 단계(S40)에서는, 분쇄물을 농황산과 반응 시 생성되는 불소가스를 수산화칼슘(Ca(OH)2)수용액이 충진된 반응조로 기류를 이동하여 접촉시키고, 하기 반응식 3에 의해 불화칼슘염(CaF2)으로 침전하여 제거하는 불화칼슘 반응 처리 단계(S41)를 포함한다.In the electrolytic salt removal and heat treatment step (S40), the fluorine gas generated when the pulverized material is reacted with concentrated sulfuric acid is brought into contact with a reaction tank filled with a calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) aqueous solution by moving the air current, and a calcium fluoride reaction treatment step (S41) is included to remove the fluorine gas by precipitating it as calcium fluoride salt ( CaF2 ) according to the following reaction formula 3.

[반응식 3][Reaction Formula 3]

F2 + Ca(OH)2 = CaF2 + 1/2O2 + H2OF 2 + Ca(OH) 2 = CaF 2 + 1/2 O 2 + H 2 O

불화칼슘 반응 처리 단계(S41)에서는 수산화칼슘(Ca(OH)2)수용액을 버블링 또는 노즐분사와 같은 형태로 불소가스와 접촉을 유도하여 불소를 불화칼슘염(CaF2)으로 침전하여 제거하며, 이후 스크러버와 같은 대기환경시설로 이송하여 처리한다. In the calcium fluoride reaction treatment step (S41), the calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) aqueous solution is brought into contact with fluorine gas in a form such as bubbling or nozzle spraying to remove fluorine by precipitating it as calcium fluoride salt ( CaF2 ), and then transferred to an atmospheric environmental facility such as a scrubber for treatment.

전해염 제거 반응 후 분쇄물질은 원심분리를 거쳐 500 ~ 550℃에서 고온 열처리를 통해 잔류 유기물질을 열분해한다. 고온 열처리 과정에는 비활성 분위기를 조성을 위해 아르곤(Ar), 질소(N2) 등의 가스를 투입하여 승온 전까지 충분히 내부 분위기를 조성하고, 500 ~ 700℃ 까지 승온하여 분쇄물질 상의 유기물질을 제거한다. 양극재에 포함된 리튬은 잔류 황산과 반응하여 황산리튬의 형태로 환원될 수 있다. After the electrolyte salt removal reaction, the pulverized material is centrifuged and then thermally decomposed to remove residual organic substances through high-temperature heat treatment at 500 to 550℃. During the high-temperature heat treatment process, gases such as argon (Ar) and nitrogen (N 2 ) are injected to create an inert atmosphere to sufficiently create an internal atmosphere before the temperature is raised, and the organic substances on the pulverized material are removed by raising the temperature to 500 to 700℃. The lithium contained in the cathode material can react with residual sulfuric acid and be reduced to the form of lithium sulfate.

열처리 과정에서 발생하는 불소가스는, 파쇄 및 불소 제거 단계(S20)에서 탄산칼슘(CaCO3)수용액에 의한 수중 파쇄를 거치면서 분쇄물질 상에 잔존하는 칼슘화합물과 반응하여 불화칼슘을 형성하므로 상기 반응식 3에 의해 불소를 제거할 수 있게 된다.Fluorine gas generated during the heat treatment process reacts with calcium compounds remaining on the crushed material during underwater crushing using a calcium carbonate (CaCO 3 ) aqueous solution in the crushing and fluoride removal step (S20) to form calcium fluoride, thereby enabling fluorine removal according to the above reaction formula 3.

분쇄 및 분급 단계(S50)는 전해염 제거 및 열처리 단계(S40)를 거친 피열물을 분말화하고 입도 선별하여 유가금속을 함유하는 블랙 매스를 수득하는 단계이다.The crushing and classification step (S50) is a step of pulverizing and selecting the particle size of the product that has gone through the electrolytic salt removal and heat treatment step (S40) to obtain black mass containing valuable metals.

분쇄 및 분급 단계(S50)에서는 전해염 제거 및 열처리 단계(S40)에서 수득한 피열물을 분쇄 및 분급하여 Al, Cu극판과 양극 및 음극활물질로 분리한다.In the crushing and classification step (S50), the heat-treated material obtained in the electrolytic salt removal and heat treatment step (S40) is crushed and classified to separate it into Al and Cu electrode plates and positive and negative electrode active materials.

분쇄는 피열물의 형태에 따라 단일 또는 다단의 형태로 진행하며, 상기 고온 열처리 과정에서 피열물의 뭉침 현상이 있을 경우, 우선 볼밀 또는 로드밀 설비를 이용하여 피열물을 1차적으로 해쇄한 후에 분쇄를 진행하는 것이 바람직하다.Crushing is carried out in a single or multi-stage manner depending on the form of the to-be-fired material. If there is a phenomenon of agglomeration of the to-be-fired material during the high-temperature heat treatment process, it is preferable to first crush the to-be-fired material using a ball mill or rod mill facility and then carry out crushing.

분쇄 및 분급 단계(S50)에서는 분말 입도가 약 100 ~ 200㎛ 범위로 분쇄하며, 입도 선별을 통해 극판과 양극 및 음극활물질을 분리한다. 분쇄 및 분급 설비는 임팩트 크러셔, 해머 크러셔, 핀 크러셔, 제트 밀 등을 적용할 수 있다. 분쇄 및 분급 단계(S50)를 거쳐 양극활물질과 음극활물질의 혼합물로 불리는 최종 블랙 매스(Black mass)를 수득한다.In the crushing and classification step (S50), the powder is crushed to a particle size of approximately 100 to 200 μm, and the plates and positive and negative active materials are separated through particle size screening. The crushing and classification equipment can be an impact crusher, hammer crusher, pin crusher, jet mill, etc. After the crushing and classification step (S50), the final black mass, which is a mixture of positive and negative active materials, is obtained.

이하에서는 전술한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명을 포함하는 실시 예를 구성하고 그에 따른 효과에 대해서 면밀하게 파악하고자 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention having the configuration described above will be described and the effects thereof will be examined in detail.

<실시 예 1. 방전 액상별 시간에 따른 방전전압 비교><Example 1. Comparison of discharge voltage according to discharge liquid phase and time>

본 발명에 따른 알칼리 수중 방전 단계(S10)에서, 종래 기술에서 방전 액상으로 사용하는 염화나트륨(NaCl)수용액과, 본 발명의 탄산나트륨(Na2CO3)수용액을 사용한 방전 효과를 비교하기 위하여, 파우치형 리튬이온전지를 대상으로 수중 방전을 수행하였으며, 그 결과는 하기 도 3의 Table 2에 기재한 바와 같다.In the alkaline underwater discharge step (S10) according to the present invention, underwater discharge was performed on a pouch-type lithium-ion battery to compare the discharge effect using a sodium chloride (NaCl) aqueous solution used as a discharge liquid in the prior art and a sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution of the present invention, and the results are as described in Table 2 of FIG. 3 below.

Table 2에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에 따른 탄산나트륨(Na2CO3)수용액을 사용한 알칼리 수중 방전 단계(S10)는 종래의 염화나트륨(NaCl)을 사용한 방법과 대등한 수준의 방전 효과를 도출하는 것을 확인할 수 있는바, 특히 본 발명의 탄산나트륨(Na2CO3)을 사용 시에는 종래에 염화나트륨(NaCl) 방전 시 염소(Cl-)가 방전 액상에 포함되어 블랙 매스에까지 함유되게 되는 문제를 원천적으로 배제하게 되므로 종래의 염화나트륨(NaCl) 방전에 비해 현저히 효율적인 공정 운영이 가능한 이점을 가지게 된다.As can be seen in Table 2, it can be confirmed that the alkaline water discharge step (S10) using the sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution according to the present invention produces a discharge effect equivalent to that of the conventional method using sodium chloride (NaCl). In particular, when the sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) of the present invention is used, the problem of chlorine (Cl-) being included in the discharge liquid phase and even in the black mass during the conventional sodium chloride (NaCl) discharge is fundamentally eliminated, and thus, it has the advantage of enabling significantly more efficient process operation compared to the conventional sodium chloride (NaCl) discharge.

<실시 예 2. 최종 수득물 내 불순물 함량 비교><Example 2. Comparison of impurity content in final product>

본 발명에 따른 중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법을 실시하여 최종 블랙 매스(Black mass)를 수득하고 블랙 매스 내에 염소와 불소를 포함한 불순물 함량을 확인한다. 또한, 종래에 주지 관용되는 폐전지 재활용 프로세스(염화나트륨(NaCl)을 이용한 염수방전 → 파쇄/분쇄 → 고온 열처리 → 분쇄/분급)에 의해 제조된 상용 블랙 매스의 불순물 함량을 확인하여 본 발명과 비교한다. A method for removing impurities including fluorine from medium- to large-sized spent batteries and obtaining valuable metals according to the present invention is performed to obtain a final black mass, and the content of impurities including chlorine and fluorine in the black mass is confirmed. In addition, the impurity content of commercial black mass produced by a conventionally well-known and commonly used waste battery recycling process (salt water discharge using sodium chloride (NaCl) → crushing/grinding → high-temperature heat treatment → crushing/classification) is confirmed and compared with that of the present invention.

본 발명의 실시 예는 다음과 같은 알칼리 수중 방전 단계(S10) 내지 분쇄 및 분급 단계(S50)를 포함한 프로세스를 거쳐 최종 블랙 매스를 수득한다.An embodiment of the present invention obtains a final black mass through a process including an alkaline water discharge step (S10) and a crushing and classification step (S50).

1) 알칼리 수중 방전 단계(S10): 파우치형 배터리셀 내 전기 에너지 방전을 위하여 5wt% 탄산나트륨(Na2CO3)수용액이 충진된 수조에 배터리를 침지하고 1V 이하까지 알칼리 수중 방전을 수행하였다. 방전 시간은 18시간이었으며, 침지된 배터리를 회수하여 측정한 전압은 0.83V로 확인하였다. 1) Alkaline water discharge stage (S10): To discharge electric energy within a pouch-type battery cell, the battery was immersed in a tank filled with a 5 wt% sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution and alkaline water discharge was performed to below 1 V. The discharge time was 18 hours, and the voltage measured after recovering the immersed battery was confirmed to be 0.83 V.

2) 파쇄 및 불소 제거 단계(S20): 회수한 배터리 100.0중량부를 10wt% 탄산칼슘(Na2CO3)수용액이 충진된 수중 파쇄조에 투입하고 20mm × 30mm의 크기로 절단하여 99.6 중량부의 파쇄물을 수득하였다. 2) Crushing and fluoride removal step (S20): 100.0 parts by weight of the recovered battery was placed in an underwater crushing tank filled with a 10 wt% calcium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution and cut into pieces of 20 mm × 30 mm to obtain 99.6 parts by weight of crushed material.

3) 분리막 제거 및 분급 단계(S30): 수득한 파쇄물을 열풍 기류로 30분간 건조하고, 비중분리기를 이용해 분리막을 제거하여 86.5 중량부의 분리막이 제거된 파쇄물을 수득하였다. 분리된 분리막은 약 4.1 중량부이며 이외의 무게 감소 부분은 열풍 건조 과정에서 전해액이 증발한 것으로 예상된다.3) Membrane removal and classification step (S30): The obtained crushed material was dried for 30 minutes with a hot air stream, and the membrane was removed using a gravity separator to obtain 86.5 parts by weight of the crushed material from which the membrane was removed. The separated membrane was approximately 4.1 parts by weight, and the remaining weight loss is expected to be due to the evaporation of the electrolyte during the hot air drying process.

이후, 분리막이 제거된 파쇄물을 1차적으로 분말화하기 위하여 380㎛ 수준으로 분쇄하고 86.1 중량부의 분쇄물질을 수득하였다. Afterwards, the crushed material from which the separation membrane was removed was first pulverized to a size of 380 μm to obtain 86.1 parts by weight of the pulverized material.

4) 전해염 제거 및 열처리 단계(S40): 분쇄물질 상의 전해염 제거를 위하여 분쇄물질 86.1 중량부에 99wt%의 농황산을 고액비(S : L) 1 : 2의 조건으로 투입하고 60 ~ 70℃로 가열하여 교반하였으며, 1시간 동안 반응을 수행하였다.4) Electrolytic salt removal and heat treatment step (S40): In order to remove the electrolytic salt on the pulverized material, 99 wt% concentrated sulfuric acid was added to 86.1 wt% of the pulverized material at a solid-liquid ratio (S:L) of 1:2, heated to 60 to 70°C, stirred, and the reaction was performed for 1 hour.

반응이 종료된 후 황산과 분쇄물을 분리하였으며, 잔류 유기물질을 열분해하기 위하여 열처리를 수행하였다. 열처리는 질소를 30 ~ 40L/min의 범위로 투입하여 520℃에서 3시간 동안 유지하여 수행하였으며, 열처리 후 피열물 71.4 중량부를 수득하였다.After the reaction was completed, sulfuric acid and the pulverized material were separated, and heat treatment was performed to thermally decompose the residual organic matter. The heat treatment was performed by supplying nitrogen at a rate of 30 to 40 L/min and maintaining the temperature at 520°C for 3 hours, and 71.4 parts by weight of the product was obtained after the heat treatment.

5) 분쇄 및 분급 단계(S50): 수득한 피열물 상의 극판과 양극활물질, 음극활물질을 분리하기 위하여 다단으로 분쇄를 수행하였다. 1차로 300㎛수준으로 분쇄하여 220㎛ 입도분리기를 이용해 분급하고, 분리된 물질을 2차로 140㎛수준으로 분쇄하여 120㎛ 입도분리기를 이용해 분급하여, 최종적으로 Black mass 58.4 중량부를 수득하였다.5) Crushing and Classification Step (S50): In order to separate the electrode plates, positive electrode active material, and negative electrode active material from the obtained precipitate, multi-stage crushing was performed. First, the material was crushed to a size of 300 μm and classified using a 220 μm particle size separator. The separated material was crushed to a size of 140 μm and classified using a 120 μm particle size separator, and finally, a black mass of 58.4 parts by weight was obtained.

6) 결과: 본 발명에 의해 최종 수득한 Black mass와, 종래의 재활용 프로세스로 제조된 상용 Black mass 샘플을 CIC(연소이온크로마토그래피) 분석 장비를 이용해 불소(F-) 및 염소(Cl-)의 함량을 측정하여 비교하였으며, 그 결과는 하기 도 4의 Table 3에 기재한 바와 같다. 본 발명에 의해 수득한 블랙 매스에서 불소의 함량이 종래 기술에 의해 제조된 상용 블랙 매스에 비해 현저히 감소하였으며, 종래의 상용 블랙 매스에는 염소 성분이 잔존하고 있으나, 본 발명의 블랙 매스에서는 염소가 전혀 검출될 수 없음을 확인할 수 있다.6) Results: The content of fluorine (F-) and chlorine (Cl-) in the black mass finally obtained by the present invention and a commercial black mass sample manufactured by a conventional recycling process were measured and compared using a CIC (combustion ion chromatography) analysis device, and the results are as shown in Table 3 of FIG. 4 below. It can be confirmed that the content of fluorine in the black mass obtained by the present invention was significantly reduced compared to the commercial black mass manufactured by a conventional technique, and that chlorine components remain in the conventional commercial black mass, but no chlorine can be detected at all in the black mass of the present invention.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법은 전기차나 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지 재활용 과정에서 발생하는 각종 유기화합물, 불소화합물 등으로 인한 환경오염문제를 해소하기 위해 각 단계별로 종래와 차별화된 구성을 통해 불소를 포함한 유해물질을 효과적으로 제거하고, 동시에 발화 가능성, 설비 부식 등의 문제를 저감할 수 있는 이점이 있다.The method of removing impurities including fluorine from medium- to large-sized waste batteries and obtaining valuable metals according to the present invention as described above has the advantage of effectively removing hazardous substances including fluorine through a configuration differentiated from the prior art at each stage in order to solve environmental pollution problems caused by various organic compounds and fluorine compounds generated in the process of recycling medium- to large-sized waste batteries used in electric vehicles or energy storage systems, and at the same time reducing problems such as the possibility of ignition and corrosion of equipment.

또한, 본 발명에 의해 제조된 불순물이 저감된 블랙메스(Black mass)의 경우 종래의 재활용 기술을 이용해 수득한 블랙메스에 비해 불소, 염소를 포함한 불순물 함량을 최소화하여 고품질화가 가능하고, 각 단계에서 발생하는 유해물질은 화학 반응을 통해 회수, 제거하여 친환경적인 재활용 공정이 실현 가능한 효과가 있다.In addition, in the case of the black mass with reduced impurities manufactured by the present invention, the content of impurities including fluorine and chlorine is minimized compared to the black mass obtained using conventional recycling technology, thereby enabling high quality, and the harmful substances generated at each stage are recovered and removed through chemical reactions, thereby enabling an eco-friendly recycling process.

따라서, 본 발명은 전기차 및 에너지 저장 시스템의 수요 확대 전망에 따라 폐전지의 재활용 공정에 적용하여 친환경적이고 안전성 및 효율성을 모두 충족할 수 있도록 하는 등의 효과를 가지므로 산업상 이용 가능성이 매우 클 것으로 기대된다.Accordingly, the present invention is expected to have great potential for industrial use, as it can be applied to the recycling process of waste batteries in line with the expected expansion in demand for electric vehicles and energy storage systems, thereby ensuring environmental friendliness and safety as well as efficiency.

S10: 알칼리 수중 방전 단계
S11: 고액 분리 단계
S12: 방전 액상 혼합 단계
S20: 파쇄 및 불소 제거 단계
S30: 분리막 제거 및 분급 단계
S40: 전해염 제거 및 열처리 단계
S41: 불화칼슘 반응 처리 단계
S50: 분쇄 및 분급 단계
S10: Alkaline water discharge stage
S11: High-liquid separation stage
S12: Discharge liquid mixing stage
S20: Shredding and Fluoride Removal Stage
S30: Membrane removal and classification stage
S40: Electrolytic salt removal and heat treatment step
S41: Calcium fluoride reaction treatment step
S50: Crushing and Classification Stage

Claims (6)

중대형 폐전지 배터리셀을 탄산나트륨(Na2CO3)수용액에 침지하여 방전하는 알칼리 수중 방전 단계(S10),
상기 알칼리 수중 방전 단계(S10)를 거친 배터리셀을 탄산칼슘(CaCO3)수용액에 투입하여 파쇄하고 불소화합물을 화학반응으로 제거하는 파쇄 및 불소 제거 단계(S20),
상기 파쇄 및 불소 제거 단계(S20)를 거친 파쇄물을 열풍 건조하고 비중 분리하여 분리막이 제거된 분쇄물을 수득하는 분리막 제거 및 분급 단계(S30),
상기 파쇄 및 불소 제거 단계(S20)를 거친 분쇄물을 농황산과 반응하여 전해염을 제거하고 잔류 유기물질을 열분해하는 전해염 제거 및 열처리 단계(S40),
상기 전해염 제거 및 열처리 단계(S40)를 거친 피열물을 분말화하고 입도 선별하여 유가금속을 함유하는 블랙 매스를 수득하는 분쇄 및 분급 단계(S50);를 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법.
Alkaline water discharge step (S10) in which medium and large-sized waste battery cells are immersed in a sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution and discharged;
A crushing and fluorine removal step (S20) in which the battery cell that has gone through the alkaline water discharge step (S10) is crushed by placing it in a calcium carbonate (CaCO 3 ) aqueous solution and the fluorine compound is removed through a chemical reaction;
A membrane removal and classification step (S30) for obtaining a pulverized material from which the membrane has been removed by hot air drying and gravity separation of the pulverized material that has gone through the above-mentioned crushing and fluorine removal step (S20),
An electrolytic salt removal and heat treatment step (S40) in which the pulverized material that has gone through the above crushing and fluoride removal step (S20) is reacted with concentrated sulfuric acid to remove electrolytic salts and thermally decompose residual organic substances;
A method for removing impurities including fluorine and obtaining valuable metals from medium- to large-sized waste batteries, characterized by including a crushing and classification step (S50) for pulverizing and selecting particle sizes of the waste material that has undergone the above-mentioned electrolyte removal and heat treatment step (S40) to obtain black mass containing valuable metals.
제 1 항에 있어서,
상기 알칼리 수중 방전 단계(S10)에서 탄산나트륨(Na2CO3)수용액은, 총중량에 대해 1 ~ 30wt%의 탄산나트륨(Na2CO3)을 물에 투입하여 조성하고,
방전 후 액상은, 여과장치로 이송하고 미립자 및 여과물질을 여과하는 고액 분리 단계(S11)와, 여과액상을 방전 용액 혼합조로 이송하고 탄산나트륨(Na2CO3)과 물을 혼합하여 액상의 농도를 조절하는 방전 액상 혼합 단계(S12)에 의해 상기 알칼리 수중 방전 단계(S10)에서 탄산나트륨(Na2CO3)수용액으로 재사용하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법.
In the first paragraph,
In the alkaline water discharge step (S10), the sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution is prepared by adding 1 to 30 wt% of sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) to the total weight into water.
A method for removing impurities including fluorine from medium- to large-sized spent batteries and obtaining valuable metals, characterized in that the liquid phase after discharge is transferred to a filtering device and a solid-liquid separation step ( S11 ) for filtering out fine particles and filtration substances, and the filtrate phase is transferred to a discharge solution mixing tank and a discharge liquid mixing step (S12) for adjusting the concentration of the liquid phase by mixing sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) and water, thereby reusing the sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) aqueous solution in the alkaline water discharge step (S10).
제 1 항에 있어서,
상기 파쇄 및 불소 제거 단계(S20)에서 탄산칼슘(CaCO3)수용액은, 총중량에 대해 1 ~ 30wt%의 탄산칼슘(Na2CO3)을 물에 투입하여 조성하고,
수중 파쇄조에서 파쇄 시 폐전지에서 유출되는 불소화합물은 하기 반응식 1 및 반응식 2에 의해 수분 및 탄산칼슘(CaCO3)수용액과 반응하여 불화칼슘(CaF2) 형태로 제거하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법.
[반응식 1]
PF5 + 4H2O → H3PO4 + 5HF
[반응식 2]
CaCO3 + HF → CaF2 + CO2 + H2O
In the first paragraph,
In the above crushing and fluoride removal step (S20), the calcium carbonate (CaCO 3 ) aqueous solution is prepared by adding 1 to 30 wt% of calcium carbonate (Na 2 CO 3 ) to water based on the total weight.
A method for removing impurities including fluorine from medium- to large-sized spent batteries and obtaining valuable metals, characterized in that the fluorine compounds discharged from spent batteries during crushing in an underwater crushing tank are removed in the form of calcium fluoride (CaF 2 ) by reacting with water and a calcium carbonate (CaCO 3 ) aqueous solution according to the following reaction formulas 1 and 2.
[Reaction Formula 1]
PF 5 + 4H 2 O → H 3 PO 4 + 5HF
[Reaction Formula 2]
CaCO 3 + HF → CaF 2 + CO 2 + H 2 O
제 3 항에 있어서,
상기 탄산칼슘(CaCO3)수용액과 불화칼슘(CaF2) 반응에 의해 생성되는 이산화탄소(CO2)는, 수중 파쇄조 내부에서 비활성가스로 활용하여 발화 방지 작용을 하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법.
In the third paragraph,
A method for removing impurities including fluorine and obtaining valuable metals from medium- to large-sized waste batteries, characterized in that carbon dioxide (CO 2 ) generated by the reaction of the above calcium carbonate (CaCO 3 ) aqueous solution and calcium fluoride (CaF 2 ) is configured to be used as an inert gas inside an underwater crushing tank to prevent ignition.
제 1 항에 있어서,
상기 전해염 제거 및 열처리 단계(S40)에서는,
분쇄물과, 황산의 농도가 95wt% 이상의 농황산의 고액비는 1 : 0.5 내지 1 : 3 범위에서 반응을 수행하고, 60 ~ 80℃에서 30 ~ 120분 동안 반응하여 전해염을 제거하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법.
In the first paragraph,
In the above electrolyte removal and heat treatment step (S40),
A method for removing impurities including fluorine and obtaining valuable metals from medium- to large-sized spent batteries, characterized in that the reaction is performed in a high-liquid ratio of pulverized material and concentrated sulfuric acid having a sulfuric acid concentration of 95 wt% or more in the range of 1:0.5 to 1:3, and the reaction is performed at 60 to 80°C for 30 to 120 minutes to remove electrolyte salts.
제 1 항에 있어서,
상기 전해염 제거 및 열처리 단계(S40)에서는,
분쇄물을 농황산과 반응 시 생성되는 불소가스는를 수산화칼슘(Ca(OH)2)수용액이 충진된 반응조로 기류를 이동하여 접촉시키고, 하기 반응식 3에 의해 불화칼슘염(CaF2)으로 침전하여 제거하는 불화칼슘 반응 처리 단계(S41)를 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 폐전지로부터 불소를 포함한 불순물을 제거하고 유가금속을 수득하는 방법.
[반응식 3]
F2 + Ca(OH)2 = CaF2 + 1/2O2 + H2O
In the first paragraph,
In the above electrolyte removal and heat treatment step (S40),
A method for removing impurities including fluorine from medium- to large-sized spent batteries and obtaining valuable metals, characterized by including a calcium fluoride reaction treatment step ( S41 ) in which fluorine gas generated when the pulverized material is reacted with concentrated sulfuric acid is brought into contact with a reaction tank filled with a calcium hydroxide (Ca(OH )2 ) aqueous solution by moving an air current therethrough and precipitating the fluorine gas as calcium fluoride salt (CaF2) according to the following reaction formula 3.
[Reaction Formula 3]
F 2 + Ca(OH) 2 = CaF 2 + 1/2 O 2 + H 2 O
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