WO2025135682A1 - Unit battery shredded material, battery shredded material including same, and battery processing method - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to waste batteries, and more particularly, to unit battery shreds extracted from waste battery recycling, battery shreds including the same, and a method for processing batteries.
- lithium secondary batteries which are the main raw materials of said waste batteries, organic solvents, explosive substances, and heavy metals such as Ni, Co, Mn, and Fe are contained, but in the case of Ni, Co, Mn, and Li, they have high scarcity value as valuable metals, and the recovery and recycling process after the lithium secondary batteries are discarded is emerging as an important research field.
- a lithium secondary battery mainly consists of copper and aluminum used as a current collector, Li, Ni, Co, Mn-containing oxides constituting a cathode material, and graphite utilized as an anode material, and includes a separator separating the cathode material and the anode material, and an electrolyte injected into the separator.
- the solvent and salt used as the electrolyte are mainly a mixture of carbonate organic substances such as ethylene carbonate and propylene carbonate, and LiPF 6 is used as a representative salt.
- waste battery recycling process that crushes the waste batteries to produce intermediate materials such as waste battery shreds or black powder, and then recovers valuable metals through a post-process.
- the waste battery in the waste battery recycling process, generally has a voltage in the range of 3.0 to 3.2 V in a fully discharged state per cell, and a voltage close to 4 V in a fully charged state, although this may vary depending on the number of times the battery has been used or its condition. Therefore, modules or packs in which tens to hundreds of cells are connected have a considerable amount of energy in this residual voltage, and thus, when physically disassembling the waste battery by applying an external shock, safety related to explosion or electric shock of the battery becomes an issue.
- the salt used in the brine discharge contains a large amount of substances such as Na, K, Cl, Mg, and Ca.
- Cl in particular is partially removed during the high-temperature heat treatment process, but the black powder, which is a powder in the form of a mixture of oxides of Ni-Co-Mn-Li-O and C obtained by further processing the shredded material or shredded material of the waste battery to remove Al, Cu, and a part of the separator, contains impurities such as Na, K, and Mg, which causes a problem of reducing the recovery rate during the extraction process using acid leaching in the subsequent process of the battery recycling process.
- a unit battery shredder having a low impurity content and preventing fire occurrence is provided.
- the battery shredder has the advantages described above and comprises at least one unit battery shredder.
- a method of processing a battery provides a method of producing battery shreds having the advantages described above by removing volatile materials.
- the unit battery shredder is a unit battery shredder for recovering valuable metals from a spent battery, wherein the unit battery shredder has a layered structure including a separator having a positive electrode or a negative electrode laminated on at least one surface, and can satisfy the following conditions 1, 2, and 3.
- the above layered structure is a laminated structure having 1 or more layers and 7 or fewer layers.
- the size of the unit battery shreds based on the longest axis among the horizontal, vertical, and height directions is 100 mm or less.
- the surface of the unit battery shredder includes a burnt region, which is a region where at least a portion of the surface is burned, and a top region on the surface where no burn marks are present, and the area ratio of the burnt region to the top region may be 30% or less.
- the burnt region may be formed at an edge portion of the surface.
- the battery shredder is a unit battery shredder for recovering valuable metals from waste batteries
- the above unit battery shredder comprises at least one unit battery shredder having a layered structure including a separator having a positive electrode or a negative electrode laminated on at least one surface, and satisfying the following conditions 1, 2, and 3.
- the above layered structure is a laminated structure having 1 or more layers and 7 or fewer layers.
- the size of the unit battery shreds based on the longest axis among the horizontal, vertical, and height directions is 100 mm or less.
- the content of the unit battery shreds may be greater than or equal to 90% of the total volume of the battery shreds.
- the impurities may include, in wt%, Na: 0.4% or less, Ca: 0.03% or less, Mg: 0.02% or less, and K: 0.02% or less.
- a battery processing method comprises the steps of freezing a battery, shredding the frozen battery into battery shreds, and stabilizing the shredded battery shreds, wherein the battery shreds include at least one unit battery shred, the unit battery shreds have a layered structure including a separator having a positive electrode or a negative electrode laminated on at least one surface, and satisfies the following Condition 1 and Condition 2, and the stabilizing step can satisfy the following Condition 5.
- the above layered structure is a laminated structure having 1 or more layers and 7 or fewer layers.
- the size of the unit battery shreds based on the longest axis among the length, width, and height directions is 100 mm or less.
- Low-temperature stabilization treatment is performed at 30°C or lower, and after the low-temperature stabilization treatment, high-temperature stabilization treatment is performed at 30°C or higher to 150°C.
- the weight of the battery shreds in the low-temperature stabilization treatment step can be reduced by 2.8 to 4.6% relative to the weight of the battery shreds before the low-temperature stabilization treatment step. In one embodiment, the weight of the battery shreds in the high-temperature stabilization treatment step can be reduced by 8 to 10% relative to the weight of the battery shreds before the low-temperature stabilization treatment step.
- the battery shreds may satisfy the following condition 4.
- the tap density of the above battery shreds is 200 to 600 kg/m 3
- the low-temperature stabilization time in the low-temperature stabilization treatment may be 6 to 12 hours. In one embodiment, the high-temperature stabilization time in the high-temperature stabilization treatment may be 5 to 12 hours.
- the stabilization treatment may be performed at a temperature of 0 to 150° C. applied to the shredded material.
- a battery processing method including an intermediate stabilization treatment step prior to the high temperature stabilization treatment step, wherein the intermediate stabilization treatment step may be performed at a temperature of 30 to 120° C.
- the freezing step can be performed by cooling to -150° C. to -20° C. In one embodiment, the freezing step can be performed by cooling to -60° C. to -20° C., and the crushing step can be performed under vacuum conditions of 100 torr or less.
- the unit battery shredder includes low-temperature and high-temperature stabilization treatment steps at predetermined temperatures, thereby providing unit battery shredder having a low impurity content and preventing occurrence of fire.
- the battery shredder provides a battery shredder having at least one unit battery shredder having the advantages described above.
- a battery processing method provides a method for producing battery shreds having the aforementioned advantages by controlling the weight reduction amount of the battery shreds by performing low-temperature and high-temperature stabilization treatment steps on the battery shreds at predetermined temperatures.
- Figure 1 shows the change in voltage of a battery according to cooling temperature according to one embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a graph showing the relationship between battery weight, external cooling temperature, and cooling time according to one embodiment of the present invention.
- FIGS. 3a and 3b are photographs of examples according to the minimum cooling time of the present invention
- FIGS. 3c and 3d are photographs of comparative examples according to the minimum cooling time of the present invention.
- FIG. 4 is a graph of temperature over time of a shredded material according to one embodiment of the present invention.
- FIG. 5a illustrates unit battery shreds according to one embodiment of the present invention and a comparative example
- FIG. 5b illustrates a mixing ratio according to a weight ratio of battery shreds according to one embodiment of the present invention
- FIG. 5c illustrates a combustion section and a top section of a surface of unit battery shreds.
- Figures 6a to 6c are photographs showing the temperature measurement process of a waste battery and the temperature trend of the shredded material according to the SOC conditions.
- Figure 7 is a graph showing the temperature increase trend of the shredded material according to the SOC % condition of the battery.
- FIG. 8 is a graph showing the temperature of battery shreds over time in low-temperature stabilization, intermediate stage, and high-temperature stabilization stages according to one embodiment of the present invention.
- Figure 9a is a schematic diagram of a stabilization device for performing a battery stabilization step
- Figure 9b is a graph showing self-heating of battery fragments inside a transport container.
- Figure 10 shows the temperature change of the crushed material when the heating temperature was controlled for each section for heat treatment in the high-temperature stabilization stage.
- Figure 11 shows the weight reduction ratio (%) of the electrolyte in the shredded battery according to the heat treatment temperature of 150°C after high-temperature stabilization treatment of the shredded battery.
- Figure 12 shows the temperature and weight reduction according to the tap density of battery shreds.
- first, second, and third, etc. are used to describe, but are not limited to, various parts, components, regions, layers, and/or sections. These terms are only used to distinguish one part, component, region, layer, or section from another part, component, region, layer, or section. Thus, a first part, component, region, layer, or section described below may be referred to as a second part, component, region, layer, or section without departing from the scope of the present invention.
- the above layered structure includes, for example, one of anode-separator-cathode, anode-separator, separator-anode, separator-cathode, and cathode-separator, and for example, anode-separator-cathode-separator-anode-separator-cathode may have a three-layered layered structure.
- the unit battery shredder may have a predetermined thickness in the thickness direction since at least one or more layers are laminated.
- the unit battery shredder may satisfy the following condition 1.
- the above layered structure may be a laminated structure having 1 or more layers and 7 or fewer layers.
- the above unit battery shredder may have a layered structure having a laminated structure of 1 to 7 layers. Specifically, the layered structure may have a layered structure of 1 to 5 layers. As the layered structure is laminated within the above range, the temperature rise of the shredder may be minimized, and the heating time may be appropriately taken. If the layered structure is laminated thicker than the upper limit of the above range, the temperature rise may excessively increase, and the heating time may also increase, which may cause a fire as it is combusted.
- the unit battery shredder may satisfy the following condition 2.
- the size of the above unit battery shreds may be 100 mm or less based on the longest axis among the width, length, and height directions.
- the unit battery shreds may have a size of 100 mm or less based on the longitudinal axis. Specifically, the size of the unit battery shreds may be 50 mm or less. If the size of the unit battery shreds is excessively large, there is a problem that the temperature of the battery shreds themselves may rise to 100° C. or more, which may lead to a high possibility of a fire occurring.
- the unit battery shredder may satisfy the following condition 3.
- the above condition 3 may be an indicator of whether the unit battery shreds have undergone low-temperature and high-temperature stabilization steps. Specifically, when the unit battery shreds are reheated at 150° C. and cooled, the weight of the battery shreds before heating and the weight of the battery shreds after heating may be compared, and the weight of the battery shreds after heating may be reduced by 1% or less compared to the weight of the battery shreds before heating.
- the weight of the above unit battery shreds satisfies the above-mentioned range, the low-temperature stabilization treatment and the high-temperature stabilization treatment of the present invention have been performed, and safe unit battery shreds can be provided that can reduce the possibility of fire occurring in a post-process. If the weight of the above unit battery shreds exceeds the above-mentioned range, there is a problem that a fire occurs in a post-process because the electrolyte in the unit battery shreds does not easily volatilize.
- the surface of the unit battery shredder may include a burnt portion and a top portion.
- the burnt portion means an area where at least a portion of the surface of the unit battery shredder is burnt, and the top portion means a top portion of the surface where there are no traces of combustion.
- the area ratio of the combustion portion to the top portion on the surface of the unit battery shreds may be satisfactorily 30% or less. By satisfying the area ratio of the combustion portion to the top portion to be 30% or less, the unit battery shreds may be prevented from burning and causing a fire. If the area ratio of the combustion portion to the top portion exceeds 30%, there is a risk that the unit battery shreds may burn and cause a fire accompanied by smoke.
- the combustion portion may be arranged at an edge of the surface.
- the top portion may be arranged near the center of the surface of the unit battery shredder.
- the combustion portion refers to a region that exhibits a darker color compared to the top portion.
- the battery shredder may include at least one of the above-described unit battery shredders.
- the battery shredder may have a content of at least one of the unit battery shredders of 90% or more in the total volume of the battery shredder.
- the content of the unit battery shredder may be at least 95% in the total volume of the battery shredder.
- the battery shreds may correspond to the content that the proportion of unit battery shreds having a laminated structure exceeding 7 layers may be 10% or less, specifically 5% or less, of the total volume of the battery shreds, or the proportion of at least one unit battery shreds having a size exceeding 100 mm in the long axis may be 10% or less, specifically 5% or less, of the total volume of the battery shreds.
- the battery shredder is recovered from a waste battery and includes impurities, and the impurities may include, in weight %, Na, Ca, Mg, and K.
- the battery shredder may be a shredder residue or black powder manufactured through a process of recovering and crushing the waste battery, which is a pretreatment process of a waste battery recycling process.
- the above battery scrap may contain impurities such as Na, Ca, Mg, and K.
- the above battery scrap may facilitate the extraction of Li, a cognate valuable metal, in a post-process by lowering the content of the impurities.
- the battery shredder includes impurities, and the impurities may include, in wt%, Na: 0.4 % or less (excluding 0 %), Ca: 0.03 % or less (excluding 0 %), Mg: 0.02 % or less, and K: 0.02 % or less.
- Sodium (Na) is a homologous element in the post-process of recovering valuable metals from the battery scrap, and has the side effect of lowering the recovery of lithium or increasing the cost in the causticization process by partially reacting sodium instead of lithium in the lithium hydroxide forming process to form sodium hydroxide.
- the battery scrap may contain 0.4 wt% or less of the sodium, and specifically, may contain 0.1 wt% or less of the sodium.
- Calcium is an element that lowers the recovery rate of valuable metals in the post-process of recovering valuable metals from the battery shreds. Calcium is more reactive than aluminum when forming lithium aluminate, and thus forms a lithium cassinate structure, thereby hindering the formation of lithium aluminate, which is advantageous for subsequent reactions, thereby lowering the final recovery rate of lithium.
- the battery shreds may contain 0.03% or less of the calcium, and specifically, may contain 0.02 wt% or less of the calcium.
- the calcium is contained in an amount greater than the above range, there is a problem that the yield and process time increase in the solid-liquid separation process, which is an impurity purification process after the leaching process, when Ca increases.
- the content of calcium is excessively large, when nickel, cobalt, manganese hydroxide and lithium hydroxide, which are precursors, are synthesized to produce a cathode material, they are synthesized as Li[NiCoMn] 1-x Ca x )]O 2 , so that the potassium forms the cathode material oxide structure, which hinders the movement of lithium ions, and there is a problem that the capacity of the battery decreases.
- Magnesium (Mg) is an element that makes it difficult to separate solid and liquid phases during acid leaching in a metal recovery process.
- the battery scrap may contain 0.02 wt% or less of magnesium, specifically, 0.01 wt% or less.
- magnesium When the above magnesium is contained in an amount greater than the above range, there is a problem of placing a load on the recovery process of nickel, cobalt, lithium, etc.
- content of magnesium when the content of magnesium is excessively high, when producing a cathode material by synthesizing with nickel, cobalt, manganese hydroxide and lithium hydroxide, which are precursors, it is synthesized as Li[NiCoMn] 1-x Mg x )O 2 , forming a cathode material oxide structure, which hinders the movement of lithium ions and reduces the capacity of the battery.
- Potassium (K) is also an element in the same group as lithium and plays a role in preventing lithium from being formed into a hydroxide compound.
- the battery shreds may contain potassium in an amount of 0.02 wt% or less, specifically, 0.01 wt% or less. If the potassium is contained in an amount greater than the above range, there is a problem in that it causes a load in the causticization process and reduces the lithium recovery rate.
- a battery processing method includes the steps of freezing a battery, crushing the frozen battery, and stabilizing the crushed battery.
- the battery processing method may be a method of processing various types of batteries including lithium ions, and the battery may be, for example, a lithium secondary battery separated from an automobile, a secondary battery separated from an electronic device such as a mobile phone, a camera, or a laptop, and specifically, a lithium secondary battery.
- the step of cooling the battery may satisfy the following equation 1.
- W means the weight of the battery, for example, the weight of a battery pack, a single battery, or a combination thereof.
- the minimum cooling time means the external cooling temperature, which is the cooling temperature applied to the battery, for example, the target temperature for cooling the electrolyte inside the battery.
- the step of freezing the battery has the advantage of being able to perform subsequent processes stably by cooling the electrolyte inside the battery by performing the step for a period longer than the minimum cooling time. If the step of freezing the battery is performed for a period shorter than the minimum cooling time, there is a problem that the electrolyte is not cooled, which may cause a risk of fire when crushed.
- the step of freezing the battery is performed at a temperature sufficient to freeze the electrolyte contained in the battery.
- the step of freezing may be performed at a temperature range of, for example, -150 to -20°C. More specifically, the temperature range may be -150 to -50°C, and more specifically, -80 to -60°C.
- the voltage remaining slightly inside the battery for example, about 2 V to 3 V, is lowered to close to 0 V, so that even if a short circuit occurs in which the positive and negative electrodes are in direct contact, a battery reaction does not occur, so the battery temperature does not increase, and gas generation and combustion of the electrolyte do not occur.
- the electrolyte since the electrolyte is in a frozen state or a state in which vaporization is suppressed, the mobility of lithium ions is very low, so that the conduction characteristics according to the movement of lithium ions can be significantly reduced, and since vaporization of the electrolyte does not occur, flammable gases such as ethylene, propylene, and hydrogen can not be generated.
- the battery processing method has the advantage of preventing the risk of fire that may occur in the battery crushing process by including a freezing step before crushing a battery such as a lithium secondary battery.
- the step of crushing the frozen battery may refer to a process of applying an impact or pressure to the battery so that a portion of the battery falls off from the battery.
- the step of crushing the battery may refer to a process of crushing the battery, a process of cutting the battery, a process of compressing the battery, and a combination thereof.
- the step of crushing may include any process that can destroy the battery to obtain small-sized fragments.
- the step of crushing the battery may include any process of compressing the frozen battery or destroying the battery by applying an external force, such as a shear force or a tensile force.
- the step of crushing the battery may be performed, for example, using a crusher.
- the step of crushing the battery may be performed at least once. Specifically, the step of crushing may be performed at least once, either continuously or discontinuously.
- the step of crushing the battery comprises supplying conditions including an inert gas, carbon dioxide, nitrogen, water, or a combination thereof. Or, it can be performed under vacuum atmosphere conditions of 100 torr or less.
- conditions including an inert gas, carbon dioxide, nitrogen, water, or a combination thereof.
- it can be performed under vacuum atmosphere conditions of 100 torr or less.
- the supply of oxygen can be suppressed, preventing the electrolyte from reacting with oxygen, preventing an explosion caused thereby, and suppressing the vaporization of the electrolyte, so as not to generate flammable gases such as ethylene, propylene, or hydrogen.
- At least one of the unit battery shreds included in the battery shreds may satisfy the following condition 1.
- the above layered structure may have 1 or more layers and 7 or fewer layers.
- the above condition 1 may mean that the layered structure of the unit battery shredder including a separator having a positive or negative electrode laminated on at least one surface is controlled in the step of shredding into a layered structure of 1 or more layers and 7 or fewer layers.
- the layered structure may be a laminated structure having 1 or more layers and 7 or fewer layers.
- the layered structure may be a laminated structure having 1 or more layers and 5 or fewer layers.
- the temperature rise amount of the shredded material can be minimized and the heating time can be appropriately taken. If the layered structure is laminated thicker than the upper limit of the above range, the temperature rise amount excessively increases and the heating time also increases, which causes a problem of combustion.
- At least one of the unit battery shreds included in the battery shreds may satisfy the following condition 2.
- the size of the unit battery shreds based on the long axis, which is the longest axis among the length, width, and height directions, may be 100 mm or less.
- the size of the unit battery shreds may be controlled in the shredding step to be 100 mm or less, specifically 50 mm or less. If the maximum size of the battery shreds is greater than 100 mm, the heat generation temperature caused by instability as the battery shreds are shredded may rise to a temperature range of 120° C., which is the average vaporization temperature of the electrolyte, and thus a problem in stability, such as a fire, may occur.
- At least one of the unit battery shreds contained within the battery shreds may satisfy the following condition 4.
- the tap density of the above-mentioned shredded battery waste is 200 to 600 kg/m 3 .
- the tap density of the unit battery shredder calculated by the above-described method is 200 to 600 kg/ m3 . Specifically, the tap density can be 200 to 300 kg/ m3 .
- the above tap density exceeds the upper limit, there is a risk of fire due to instantaneous heat generation by the short circuit of the densely stacked pieces of shredded material, and there is a problem of reduced stabilization processing capacity due to the narrow space through which the electrolyte can escape to the outside. If the above tap density exceeds the lower limit, there is a problem of many gaps between the shredded material and the volume is large, requiring an additional pressurization process to transport it to the post-process.
- the step of shredding the battery may further include the step of controlling the proportion of the unit battery shreds to be 90% or more, specifically 95% or more, of the total volume of the battery shreds. Specifically, this may correspond to controlling the proportion of the unit battery shreds having a laminated structure exceeding 7 layers to be 10% or less of the total volume of the battery shreds. Specifically, the proportion of the unit battery shreds having a laminated structure exceeding 7 layers may be controlled to be 5% or less of the total volume of the battery shreds.
- the step of stabilizing the shredded battery fragments may satisfy the following condition 5.
- Low-temperature stabilization treatment is performed at 30°C or lower, and high-temperature stabilization treatment is performed at 120 to 150°C.
- the stabilizing step may include a low-temperature stabilization treatment step and a high-temperature stabilization treatment step performed at a higher temperature than the low-temperature stabilization treatment step.
- the stabilizing step performs the low-temperature stabilization treatment step and the high-temperature stabilization treatment step simultaneously, thereby volatilizing the electrolyte in the crushed battery waste, thereby reducing the weight of the battery waste, and decreasing the tap density.
- the above low-temperature stabilization treatment step may be a step of stabilizing the crushed battery shreds at a temperature of 30° C. or lower.
- the low-temperature stabilization treatment step may be a step in which the crushed battery shreds are stabilized through self-heating. More specifically, there is a difference in self-heating of the shreds depending on the condition of the SOC (State of Charge) indicating the remaining capacity of the battery. More specifically, when the SOC is 30% or higher, sudden heat generation may occur, which may cause a fire. Therefore, the low-temperature stabilization treatment step may be a preliminary step of stabilizing the battery at a temperature of 10° C. or lower in order to minimize the aforementioned fire risk.
- SOC State of Charge
- the low-temperature stabilization treatment step can be performed for 6 to 12 hours. If the low-temperature stabilization treatment step is outside the upper limit of the aforementioned time range, the fire risk is minimized, but there is a problem that the manufacturing lead time is lengthened and productivity is reduced. If the low-temperature stabilization treatment step is outside the lower limit of the aforementioned time range, the electrolyte may not be removed sufficiently safely, which may cause a problem of a post-process fire. In one embodiment, the weight of the battery shreds may be reduced by 2.8 to 4.6% in the low-temperature stabilization treatment step.
- the weight of the battery shreds may be reduced by 2.8 to 4.6% compared to the weight of the battery shreds before the low-temperature stabilization treatment step is performed.
- the weight of the battery shreds is reduced within the aforementioned range, so that the low-temperature volatile electrolyte can be easily removed.
- the above high temperature stabilization treatment step exceeds the upper limit of the above temperature range, there is a problem of fire occurrence. If the above high temperature stabilization treatment step exceeds the lower limit of the above temperature range, there is a problem of the electrolyte in the battery shreds not being sufficiently volatilized.
- the high temperature stabilization treatment step may be performed for 6 to 12 hours. If the high temperature stabilization treatment step is outside the upper limit of the above-mentioned time range, there is a problem with productivity due to an increase in manufacturing lead time. If the high temperature stabilization treatment step is outside the lower limit of the above-mentioned time range, there is a problem that the electrolyte is not sufficiently removed, which may cause a fire in the subsequent process.
- the weight of the battery shreds in the high-temperature stabilization treatment step may be reduced by 8 to 10% compared to the weight of the battery shreds before performing the low-temperature stabilization treatment step. Specifically, when the weight of the battery shreds satisfies the above-mentioned range, it can be confirmed that the high-temperature volatile electrolyte is easily volatilized.
- the electrolyte may account for 10 to 15%.
- about 60 to 70% of the electrolyte's weight is volatilized, which means a reduction of 9 to 10% based on 100% of the total battery weight.
- an intermediate stabilization treatment step may be included prior to the high temperature stabilization treatment step, and the time of the intermediate stabilization treatment step is included in the high temperature stabilization treatment time.
- the intermediate stabilization treatment step may be a step for volatilizing the electrolyte in the battery shreds between the low temperature stabilization treatment step and the high temperature stabilization treatment step.
- the intermediate stabilization treatment step can be performed at a temperature higher than the low temperature stabilization treatment step and lower than the high temperature stabilization treatment step. In one embodiment, the intermediate stabilization treatment step can be performed at 30 to 120° C.
- the intermediate stabilization treatment step can be performed as a multi-stage heat treatment.
- the intermediate stabilization treatment step can be performed sequentially at a first temperature of 30 to 60 °C, a second temperature of 60 to 90 °C, and a third temperature of 90 to 120 °C.
- the temperature of the battery shreds can be gradually increased to stably volatilize the electrolyte within the battery shreds.
- Figure 1 shows the change in voltage of a battery according to cooling temperature according to one embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a graph showing the relationship between battery weight, external cooling temperature, and cooling time according to one embodiment of the present invention.
- the battery weight and time for cooling are required.
- the minimum time required for cooling can be confirmed by using the external cooling temperature for refrigeration, the target temperature, and the battery weight to cool the battery.
- Table 1 lists the minimum cooling time based on battery weight and external cooling temperature.
- Equation 1 derived from the relationship according to the battery weight, external cooling temperature, and target temperature is cooled with the minimum cooling time, the battery, specifically, the electrolyte of the battery, is cooled.
- the battery is cooled for a time longer than the value of Equation 1, a fire does not occur during the post-process, the battery crushing process.
- FIGS. 3a and 3b are photographs of examples according to the minimum cooling time of the present invention
- FIGS. 3c and 3d are photographs of comparative examples according to the minimum cooling time of the present invention.
- the fire occurrence status of shredded material when frozen for a time shorter than the minimum cooling time required for cooling the battery was tested.
- the battery weight was 25 kg
- the external cooling temperature was -95°C
- the target freezing temperature was -70°C
- the value of Equation 1 below was 7 hours
- the test was performed for 5 hours, which is lower than the value of Equation 1 above.
- Table 2 compares the fire occurrence status of the examples and comparative examples according to the same battery weight, external cooling temperature, and minimum freezing time according to 3a to 3d. The determination of the fire occurrence status was made as follows: if fire occurrence was observed after battery crushing, “O”; otherwise, “X”.
- a standard for stabilizing the shredded material is set by measuring how much the temperature of the shredded material rises.
- FIG. 4 is a graph of temperature over time of a shredded material according to one embodiment of the present invention.
- Average shred size (mm) 10 20 50 100 150 Temperature increase [°C] 30 50 65 90 110 140
- the average size of the shredded material should be shredded to a length of 100 mm or less along the longest axis among the horizontal, vertical, and height directions.
- the shreds require time to be physically stabilized.
- As a method for stabilizing the shreds it is necessary to maintain them for a predetermined process time under temperature conditions lower than 120°C, or to maintain them for a predetermined process time while introducing an inert gas to reduce contact with oxygen in the atmosphere.
- the crushed material was maintained at a room temperature of 30°C for about 3 hours based on an average crushed material size of 20 mm, and at this time, it was confirmed that the increased temperature of the crushed material had dropped to the room temperature level.
- the stabilization time for fragments less than 100 mm, there is no problem if the holding time is within several minutes, but for fragments greater than 100 mm, the stabilization time must be at least 3 hours.
- Table 4 below shows the temperature rise according to the layered structure in a unit battery shredder according to one embodiment of the present invention, as measured by a thermal imaging camera.
- Figures 6a to 6c are photographs showing the temperature measurement process of a waste battery and the temperature trend of the shredded material according to the SOC conditions.
- Figure 7 is a graph showing the temperature increase trend of the shredded material according to the SOC % condition of the battery.
- the battery with SoC 0% was shredded in a frozen state, and the initial temperature started at about -60°C and increased to a maximum temperature of about 30°C, and the battery with SOC 30% was confirmed to increase to 60°C.
- the maximum temperature trend according to the SOC condition was 80% or higher, and a fire occurred during the stabilization process.
- FIG. 8 is a graph showing the temperature of battery shreds over time in low-temperature stabilization, intermediate stage, and high-temperature stabilization stages according to one embodiment of the present invention.
- Figure 9a is a schematic diagram of a stabilization device for performing a battery stabilization step
- Figure 9b is a graph showing self-heating of battery fragments inside a transport container.
- Figure 10 shows the temperature change of the crushed material when the heating temperature was controlled for each section for heat treatment in the high-temperature stabilization stage.
- the crushed material that has undergone the low-temperature stabilization step undergoes the high-temperature stabilization treatment step.
- the temperature is controlled by adjusting the power (%) of the heating device for each section (6 sections) for continuous heat treatment, thereby increasing the temperature of the crushed material, and thus removing the electrolyte within the crushed material.
- Figure 11 shows the weight reduction ratio (%) of the electrolyte in the shredded battery according to the heat treatment temperature of 150°C after high-temperature stabilization treatment of the shredded battery.
- the heat treatment temperature of the shredded material is changed, and the weight reduction ratio (%) of the electrolyte contained in the entire shredded material is shown to some extent reduced depending on the temperature conditions. Specifically, when the battery shredded material on which the high-temperature stabilization treatment was performed was heated to 150°C, it was confirmed that when the total amount of electrolyte contained in the battery shredded material was 100 wt%, it was reduced to about 65 wt% after the high-temperature stabilization treatment.
- the battery shredded material on which the high-temperature stabilization treatment was performed is a stabilized lithium-ion shredded material that can safely be subjected to battery processing work in a post-process such as primary sorting or dry high-temperature treatment.
- the shredded product that was stabilized at low temperature was additionally stabilized at high temperature, and when the stabilized battery shredded product was heated at 150°C, the mass change before and after heating was very low.
- Figure 12 shows the temperature and weight reduction according to the tap density of battery shreds.
- the weight loss of the crushed material after the low-temperature stabilization treatment step and the high-temperature stabilization treatment step was measured using a weight measuring device.
- the weight loss ratio after reheating the shredded material was confirmed by reheating the unit battery shredded material that had gone through the high-temperature stabilization treatment step to 150 °C and then checking the weight loss ratio before and after heating.
- Stability was indicated as ⁇ if a fire occurred during the battery crushing process, and ⁇ if no fire occurred.
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Abstract
Description
폐전지에 관한 것으로서, 폐전지 재활용으로부터 추출된 단위 배터리 파쇄물, 이를 포함하는 배터리 파쇄물, 및 배터리 처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to waste batteries, and more particularly, to unit battery shreds extracted from waste battery recycling, battery shreds including the same, and a method for processing batteries.
전세계적으로 전기차에 대한 수요가 활발해짐에 따라, 상기 전기차로부터 발생하는 폐배터리 처리 문제가 사회적 문제로 대두되고 있다. 상기 폐배터리의 주된 원료가 되는 리튬 이차전지의 경우, 유기용제, 폭발성 물질, 및 Ni, Co, Mn, 및 Fe와 같은 중금속 물질들이 함유되어 있으나, Ni, Co, Mn, 및 Li의 경우 유가 금속으로서의 희소가치가 크고, 리튬 이차전지가 폐기된 이후의 회수 및 재활용 공정이 중요한 연구 분야로 부상하고 있다.As the demand for electric vehicles increases worldwide, the problem of disposal of waste batteries generated from said electric vehicles is emerging as a social issue. In the case of lithium secondary batteries, which are the main raw materials of said waste batteries, organic solvents, explosive substances, and heavy metals such as Ni, Co, Mn, and Fe are contained, but in the case of Ni, Co, Mn, and Li, they have high scarcity value as valuable metals, and the recovery and recycling process after the lithium secondary batteries are discarded is emerging as an important research field.
구체적으로, 리튬 이차전지는 집전체로 사용되는 구리와 알루미늄, 양극재를 구성하는 Li, Ni, Co, Mn 함유 산화물, 및 음극재로 활용되는 흑연(Graphite)을 주요 구성으로 하고, 상기 양극재와 상기 음극재를 분리하는 분리판과 상기 분리판에 주입되는 전해액을 포함한다. 상기 전해액을 구성하는 용매(Solvent)와 염(Salt)으로 사용되는 용매는 주로 에틸렌 카보네이트(Ethylene Carbonate), 프로필렌 카보네이트(Propylene Carbonate)와 같은 카보네이트 유기물을 혼합하여 사용하며, 대표적인 염으로 LiPF6를 사용하고 있다.Specifically, a lithium secondary battery mainly consists of copper and aluminum used as a current collector, Li, Ni, Co, Mn-containing oxides constituting a cathode material, and graphite utilized as an anode material, and includes a separator separating the cathode material and the anode material, and an electrolyte injected into the separator. The solvent and salt used as the electrolyte are mainly a mixture of carbonate organic substances such as ethylene carbonate and propylene carbonate, and LiPF 6 is used as a representative salt.
상기 폐배터리를 활용하기 위해, 상기 폐배터리를 분쇄하여 폐배터리 파쇄물 또는 블랙파우더와 같은 중간 물질을 생성한 후, 후공정을 거쳐 유가 금속을 회수하는 폐배터리 재활용 공정에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다.In order to utilize the above-mentioned waste batteries, development is actively underway on a waste battery recycling process that crushes the waste batteries to produce intermediate materials such as waste battery shreds or black powder, and then recovers valuable metals through a post-process.
그러나, 상기 폐배터리 재활용 공정에서, 상기 폐배터리는 배터리 사용 횟수나 상태에 따라 차이가 있지만, 일반적으로 셀단위 완전 방전상태에서 3.0 내지 3.2 V 범위의 전압을 가지며, 완전충전 상태에서 4V에 가까운 전압을 가지고 있어서, 수십개부터 수백개의 셀이 연결된 모듈이나 팩은 이러한 잔류 전압이 상당히 큰 에너지를 가지고 있으므로 폐배터리에 외부 충격을 가하여 물리적으로 분해할 때 배터리의 폭발이나 전기 감전과 관련된 안전성이 문제가 된다.However, in the waste battery recycling process, the waste battery generally has a voltage in the range of 3.0 to 3.2 V in a fully discharged state per cell, and a voltage close to 4 V in a fully charged state, although this may vary depending on the number of times the battery has been used or its condition. Therefore, modules or packs in which tens to hundreds of cells are connected have a considerable amount of energy in this residual voltage, and thus, when physically disassembling the waste battery by applying an external shock, safety related to explosion or electric shock of the battery becomes an issue.
이를 방지하기 위해, 상기 분해 이후, 배터리에 구멍을 생성하여 염수(Salt Water)에서 방전을 실시하고 있다. 상기 방전이 완료된 배터리는 파쇄 단계를 거쳐, 물과 전해액을 제거하기 위해 고온 열처리를 수행하게 된다.To prevent this, after the above disassembly, a hole is created in the battery and the battery is discharged in salt water. The battery after the above discharge is crushed and then subjected to high-temperature heat treatment to remove water and electrolyte.
이때, 상기 염수 방전에 사용되는 염에는 다량의 Na, K, Cl, Mg, 및 Ca 와 같은 물질이 포함되어 있다. 전술한 물질 중 특히 Cl의 경우, 고온 열처리 과정에서 소정 부분 제거가 되나, 상기 폐배터리의 파쇄물이나 파쇄물을 추가 가공하여 Al, Cu, 및 분리막의 일부를 제거한 Ni-Co-Mn-Li-O의 산화물과 C가 혼합되어 있는 가루 형태의 분말인 블랙 파우더(Black Powder)에는 불순물인 Na, K, 및 Mg와 같은 물질을 포함하고 있어 배터리 재활용 공정 중 후 공정에서의 산침출을 이용한 추출 과정에서 회수율을 저하시키는 문제가 있다.At this time, the salt used in the brine discharge contains a large amount of substances such as Na, K, Cl, Mg, and Ca. Among the substances mentioned above, Cl in particular is partially removed during the high-temperature heat treatment process, but the black powder, which is a powder in the form of a mixture of oxides of Ni-Co-Mn-Li-O and C obtained by further processing the shredded material or shredded material of the waste battery to remove Al, Cu, and a part of the separator, contains impurities such as Na, K, and Mg, which causes a problem of reducing the recovery rate during the extraction process using acid leaching in the subsequent process of the battery recycling process.
또한, 폐배터리 파쇄 후 후공정 단계로 안정하게 이송시키기 위해 파쇄물에 포함되어 있는 전해질을 제거하기 위한 후처리 방법에 대한 연구가 필요하다. In addition, research is needed on a post-processing method to remove the electrolyte contained in the shredded material in order to stably transport it to the post-processing stage after shredding the used batteries.
본 발명의 일 실시예에 따른, 폐전지 재활용을 통해, 불순물 함량이 적고, 화재 발생을 방지하는 단위 배터리 파쇄물을 제공한다.According to one embodiment of the present invention, through recycling of waste batteries, a unit battery shredder having a low impurity content and preventing fire occurrence is provided.
본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리 파쇄물은 전술한 이점을 갖고, 적어도 하나 이상의 단위 배터리 파쇄물을 포함한다.According to one embodiment of the present invention, the battery shredder has the advantages described above and comprises at least one unit battery shredder.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 배터리 처리 방법은 휘발성 물질이 제거되어 전술한 이점을 갖는 배터리 파쇄물을 제조하는 방법을 제공한다. In another embodiment of the present invention, a method of processing a battery provides a method of producing battery shreds having the advantages described above by removing volatile materials.
일 실시예에서, 단위 배터리 파쇄물은 폐배터리로부터 유가 금속을 회수하기 위한 단위 배터리 파쇄물로서, 상기 단위 배터리 파쇄물은 양극 또는 음극이 적어도 일면에 적층된 분리막을 포함하는 층상 구조이고, 하기 조건 1, 조건 2, 및 조건 3을 만족할 수 있다.In one embodiment, the unit battery shredder is a unit battery shredder for recovering valuable metals from a spent battery, wherein the unit battery shredder has a layered structure including a separator having a positive electrode or a negative electrode laminated on at least one surface, and can satisfy the following
<조건 1> 상기 층상형 구조는 1 층 이상 내지 7 층 이하의 적층 구조이다<
<조건 2> 가로, 세로, 및 높이 방향 중 가장 긴 축인 장축 기준으로 상기 단위 배터리 파쇄물의 크기는 100 mm 이하이다<
<조건 3> 상기 단위 배터리 파쇄물을 150 ℃에서 재가열했을 때, 상기 단위 배터리 파쇄물의 무게가 1.0 % 이하 감소한다<
일 실시예에서, 상기 단위 배터리 파쇄물의 표면은 상기 표면의 적어도 일부가 연소된 영역인 연소부, 및 상기 표면에 연소 흔적이 없는 정상부를 포함하고 상기 정상부에 대한 상기 연소부의 면적비율은 30 % 이하일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 연소부는 상기 표면의 가장자리 부분에 형성될 수 있다.In one embodiment, the surface of the unit battery shredder includes a burnt region, which is a region where at least a portion of the surface is burned, and a top region on the surface where no burn marks are present, and the area ratio of the burnt region to the top region may be 30% or less. In one embodiment, the burnt region may be formed at an edge portion of the surface.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 배터리 파쇄물은 폐배터리로부터 유가 금속을 회수하기 위한 단위 배터리 파쇄물로서,According to another embodiment of the present invention, the battery shredder is a unit battery shredder for recovering valuable metals from waste batteries,
상기 단위 배터리 파쇄물은 양극 또는 음극이 적어도 일면에 적층된 분리막을 포함하는 층상 구조이고, 하기 조건 1, 조건 2 및 조건 3을 만족하는, 단위 배터리 파쇄물을 적어도 하나 포함한다.The above unit battery shredder comprises at least one unit battery shredder having a layered structure including a separator having a positive electrode or a negative electrode laminated on at least one surface, and satisfying the following
<조건 1> 상기 층상형 구조는 1 층 이상 내지 7 층 이하의 적층 구조이다<
<조건 2> 가로, 세로, 및 높이 방향 중 가장 긴 축인 장축 기준으로 상기 단위 배터리 파쇄물의 크기는 100 mm 이하이다<
<조건 3> 상기 단위 배터리 파쇄물을 150 ℃에서 재가열했을 때, 상기 단위 배터리 파쇄물의 무게가 1.0 % 이하 감소한다<
일 실시예에서, 상기 단위 배터리 파쇄물의 함량은 상기 배터리 파쇄물 전체 부피 내 90 % 이상일 수 있다. 일 실시예에서, 중량%로, Na: 0.4 % 이하, Ca: 0.03 % 이하, Mg: 0.02 % 이하, 및 K: 0.02 % 이하의 불순물을 포함할 수 있다.In one embodiment, the content of the unit battery shreds may be greater than or equal to 90% of the total volume of the battery shreds. In one embodiment, the impurities may include, in wt%, Na: 0.4% or less, Ca: 0.03% or less, Mg: 0.02% or less, and K: 0.02% or less.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 배터리 처리 방법은 배터리를 냉동시키는 단계, 냉동된 상기 배터리를 배터리 파쇄물로 파쇄하는 단계, 및 파쇄된 배터리 파쇄물을 안정화시키는 단계를 포함하고, 상기 배터리 파쇄물은 적어도 하나의 단위 배터리 파쇄물을 포함하고, 상기 단위 배터리 파쇄물은 양극 또는 음극이 적어도 일면에 적층된 분리막을 포함하는 층상형 구조이고, 하기 조건 1 및 조건 2를 만족하며, 상기 안정화시키는 단계는 하기 조건 5를 만족할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a battery processing method comprises the steps of freezing a battery, shredding the frozen battery into battery shreds, and stabilizing the shredded battery shreds, wherein the battery shreds include at least one unit battery shred, the unit battery shreds have a layered structure including a separator having a positive electrode or a negative electrode laminated on at least one surface, and satisfies the
<조건 1> <
상기 층상형 구조는 1 층 이상 내지 7 층 이하의 적층 구조이다The above layered structure is a laminated structure having 1 or more layers and 7 or fewer layers.
<조건 2><
가로, 세로, 및 높이 방향 중 가장 긴 축인 장축 기준으로 상기 단위 배터리 파쇄물의 크기는 100 mm 이하이다The size of the unit battery shreds based on the longest axis among the length, width, and height directions is 100 mm or less.
<조건 5><Condition 5>
30 ℃ 이하에서 저온 안정화 처리가 수행되고, 상기 저온 안정화 처리 이후, 30 ℃ 이상에서 내지 150 ℃에서 고온 안정화 처리가 수행된다Low-temperature stabilization treatment is performed at 30°C or lower, and after the low-temperature stabilization treatment, high-temperature stabilization treatment is performed at 30°C or higher to 150°C.
일 실시예에서, 상기 저온 안정화 처리 단계에서 상기 배터리 파쇄물의 무게는 상기 저온 안정화 처리 단계 수행 전 배터리 파쇄물의 무게 대비 2.8 내지 4.6 % 감소할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 고온 안정화 처리 단계에서 상기 배터리 파쇄물의 무게는 저온 안정화 처리 단계 수행 전 배터리 파쇄물의 무게 대비 8 내지 10 % 감소할 수 있다.In one embodiment, the weight of the battery shreds in the low-temperature stabilization treatment step can be reduced by 2.8 to 4.6% relative to the weight of the battery shreds before the low-temperature stabilization treatment step. In one embodiment, the weight of the battery shreds in the high-temperature stabilization treatment step can be reduced by 8 to 10% relative to the weight of the battery shreds before the low-temperature stabilization treatment step.
일 실시예에서, 상기 배터리 파쇄물은 하기 조건 4를 만족할 수 있다.In one embodiment, the battery shreds may satisfy the following
<조건 4> <
상기 배터리 파쇄물의 탭밀도는 200 내지 600 kg/m3 이다The tap density of the above battery shreds is 200 to 600 kg/m 3
일 실시예에서, 상기 저온 안정화 처리에서 저온 안정화 시간은 6 내지 12 시간일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 고온 안정화 처리에서 고온 안정화 시간은 5 내지 12 시간일 수 있다.In one embodiment, the low-temperature stabilization time in the low-temperature stabilization treatment may be 6 to 12 hours. In one embodiment, the high-temperature stabilization time in the high-temperature stabilization treatment may be 5 to 12 hours.
일 실시예에서, 안정화 처리를 위해 파쇄물에 가하는 온도 0 내지 150 ℃에서 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 고온 안정화 처리 단계 이전에 중간 안정화 처리 단계를 포함하는 배터리 처리 방법으로, 상기 중간 안정화 처리 단계는 30 내지 120 ℃ 온도에서 수행될 수 있다.In one embodiment, the stabilization treatment may be performed at a temperature of 0 to 150° C. applied to the shredded material. In one embodiment, a battery processing method including an intermediate stabilization treatment step prior to the high temperature stabilization treatment step, wherein the intermediate stabilization treatment step may be performed at a temperature of 30 to 120° C.
일 실시예에서, 상기 중간 안정화 처리 단계는 다단 열처리로 수행되며, 상기 다단 열처리는 30 내지 60 ℃의 제1 온도, 60 내지 90 ℃의 제2 온도, 및 90 내지 120 ℃의 제3 온도에서 순차적으로 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 파쇄하는 단계는 상기 단위 배터리 파쇄물의 비율이 상기 배터리 파쇄물 전체 부피 내 90 % 이상으로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the intermediate stabilization treatment step is performed by a multi-stage heat treatment, and the multi-stage heat treatment can be performed sequentially at a first temperature of 30 to 60 °C, a second temperature of 60 to 90 °C, and a third temperature of 90 to 120 °C. In one embodiment, the shredding step can include a step of controlling a proportion of the unit battery shreds to be 90% or more within the total volume of the battery shreds.
일 실시예에서, 상기 냉동하는 단계는 -150℃ 내지 -20℃로 냉각하여 실시할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 냉동하는 단계는 -60℃ 내지 -20℃로 냉각하여 실시하고, 상기 파쇄하는 단계는 100 torr 이하의 진공 분위기 조건 하에서 실시할 수 있다.In one embodiment, the freezing step can be performed by cooling to -150° C. to -20° C. In one embodiment, the freezing step can be performed by cooling to -60° C. to -20° C., and the crushing step can be performed under vacuum conditions of 100 torr or less.
본 발명의 일 실시예에 따른, 단위 배터리 파쇄물은 소정 온도에서 저온 및 고온 안정화 처리 단계를 포함함으로써, 불순물 함량이 적고, 화재 발생을 방지하는 단위 배터리 파쇄물을 제공한다.According to one embodiment of the present invention, the unit battery shredder includes low-temperature and high-temperature stabilization treatment steps at predetermined temperatures, thereby providing unit battery shredder having a low impurity content and preventing occurrence of fire.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 배터리 파쇄물은 전술한 이점을 갖는 단위 배터리 파쇄물을 적어도 하나 이상 갖는 배터리 파쇄물을 제공한다.In another embodiment of the present invention, the battery shredder provides a battery shredder having at least one unit battery shredder having the advantages described above.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 배터리 처리 방법은 배터리 파쇄물을 소정 온도에서 저온 및 고온 안정화 처리 단계를 수행하여 상기 배터리 파쇄물의 무게 감소량을 제어함으로써, 전술한 이점을 갖는 배터리 파쇄물을 제조하는 방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, a battery processing method provides a method for producing battery shreds having the aforementioned advantages by controlling the weight reduction amount of the battery shreds by performing low-temperature and high-temperature stabilization treatment steps on the battery shreds at predetermined temperatures.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 냉각 온도에 따른 배터리의 전압의 변화를 나타낸다Figure 1 shows the change in voltage of a battery according to cooling temperature according to one embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리 무게, 외부 냉각 온도, 냉각 시간의 관계를 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the relationship between battery weight, external cooling temperature, and cooling time according to one embodiment of the present invention.
도 3a 및 3b는 본 발명의 최소 냉각 시간에 따른, 실시예의 사진이고, 도 3c 및 3d는 본 발명의 최소 냉각 시간에 따른, 비교예의 사진이다.FIGS. 3a and 3b are photographs of examples according to the minimum cooling time of the present invention, and FIGS. 3c and 3d are photographs of comparative examples according to the minimum cooling time of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 파쇄물의 시간에 따른 온도 그래프이다.FIG. 4 is a graph of temperature over time of a shredded material according to one embodiment of the present invention.
도 5a는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 단위 배터리 파쇄물을 도시하고, 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리 파쇄물의 무게 비율에 따른 혼합 비율을 도시하며, 도 5c는 단위 배터리 파쇄물 표면의 연소부 및 정상부를 도시한다.FIG. 5a illustrates unit battery shreds according to one embodiment of the present invention and a comparative example, FIG. 5b illustrates a mixing ratio according to a weight ratio of battery shreds according to one embodiment of the present invention, and FIG. 5c illustrates a combustion section and a top section of a surface of unit battery shreds.
도 6a 내지 도 6c는 폐배터리의 온도 측정 과정과 SOC 조건에 따른 파쇄물 온도 경향에 대한 사진이다.Figures 6a to 6c are photographs showing the temperature measurement process of a waste battery and the temperature trend of the shredded material according to the SOC conditions.
도 7은 배터리의 SOC % 조건에 따른 파쇄물 온도 상승 경향을 나타내는 그래프이다.Figure 7 is a graph showing the temperature increase trend of the shredded material according to the SOC % condition of the battery.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 저온 안정화, 중간 단계, 및 고온 안정화 단계의 시간에 따른 배터리 파쇄물의 온도를 나타낸 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing the temperature of battery shreds over time in low-temperature stabilization, intermediate stage, and high-temperature stabilization stages according to one embodiment of the present invention.
도 9a는 배터리 안정화 단계를 수행하기 위한 안정화 장치의 개략도이고, 도 9b는 운송함 내부에서의 배터리 파쇄물의 자체 발열을 나타내는 그래프이다.Figure 9a is a schematic diagram of a stabilization device for performing a battery stabilization step, and Figure 9b is a graph showing self-heating of battery fragments inside a transport container.
도 10은 고온 안정화 단계의 열처리를 위한 구간별 가열 온도를 제어하였을 때, 파쇄물의 온도 변화를 나타낸다.Figure 10 shows the temperature change of the crushed material when the heating temperature was controlled for each section for heat treatment in the high-temperature stabilization stage.
도 11은 배터리 파쇄물의 고온 안정화 처리 후, 150 ℃의 열처리 온도에 따른 파쇄물 내 전해질의 무게 감소 비율(%)을 나타낸다.Figure 11 shows the weight reduction ratio (%) of the electrolyte in the shredded battery according to the heat treatment temperature of 150°C after high-temperature stabilization treatment of the shredded battery.
도 12는 배터리 파쇄물의 탭밀도에 따른 온도 및 무게 감소량을 나타낸다.Figure 12 shows the temperature and weight reduction according to the tap density of battery shreds.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.The terms first, second, and third, etc. are used to describe, but are not limited to, various parts, components, regions, layers, and/or sections. These terms are only used to distinguish one part, component, region, layer, or section from another part, component, region, layer, or section. Thus, a first part, component, region, layer, or section described below may be referred to as a second part, component, region, layer, or section without departing from the scope of the present invention.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention. As used herein, the singular forms include the plural forms as well, unless the context clearly dictates otherwise. The word "comprising," as used herein, specifies particular features, regions, integers, steps, operations, elements, and/or components, but does not exclude the presence or addition of other features, regions, integers, steps, operations, elements, and/or components.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.When a part is referred to as being "on" or "on" another part, it may be directly on or above the other part, or there may be other parts intervening. In contrast, when a part is referred to as being "directly on" another part, there are no other parts intervening.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms, including technical and scientific terms, used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms defined in commonly used dictionaries are additionally interpreted as having a meaning consistent with the relevant technical literature and the presently disclosed content, and are not interpreted in an ideal or very formal sense unless defined.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, these are presented as examples, and the present invention is not limited thereby, and the present invention is defined only by the scope of the claims described below.
본 발명의 일 실시예에 따른, 단위 배터리 파쇄물은 폐배터리로부터 유가 금속을 회수하기 위한 것으로, 양극 또는 음극이 적어도 일면에 적층된 분리막을 포함하는 층상형 구조이다. 구체적으로, 상기 층상형 구조는 분리막을 기준으로 상기 분리막의 일 표면 또는 양면에 양극 또는 음극이 포함된 구성을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 층상형 구조의 층 수는 분리막의 개수와 대응될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the unit battery shredder is for recovering valuable metals from waste batteries, and has a layered structure including a separator having a cathode or a positive electrode laminated on at least one surface. Specifically, the layered structure may include a configuration in which the cathode or the positive electrode is included on one surface or both surfaces of the separator based on the separator. More specifically, the number of layers of the layered structure may correspond to the number of separators.
상기 층상형 구조는 예를 들어, 양극-분리막-음극, 양극-분리막, 분리막-양극, 분리막-음극, 음극-분리막 중 어느 하나를 포함하며, 예를 들어, 양극-분리막-음극-분리막-양극-분리막-음극은 3층의 층상형 구조를 갖는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 단위 배터리 파쇄물은 적어도 1층 이상의 층상이 적층됨에 따라, 두께방향으로 소정의 두께를 가질 수 있다.The above layered structure includes, for example, one of anode-separator-cathode, anode-separator, separator-anode, separator-cathode, and cathode-separator, and for example, anode-separator-cathode-separator-anode-separator-cathode may have a three-layered layered structure. Specifically, the unit battery shredder may have a predetermined thickness in the thickness direction since at least one or more layers are laminated.
일 실시예에서, 상기 단위 배터리 파쇄물은 하기 조건 1을 만족할 수 있다. In one embodiment, the unit battery shredder may satisfy the
<조건 1> 상기 층상형 구조는 1층 이상 내지 7층 이하의 적층 구조일 수 있다.<
상기 단위 배터리 파쇄물은 1층 이상 내지 7층 이하의 적층 구조를 갖는 층상형 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 층상형 구조는 1층 이상 내지 5층 이하의 적층 구조일 수 있다. 상기 층상형 구조는 상기 범위로 적층됨에 따라, 파쇄물의 온도 상승량을 최소화하고, 승온 시간이 적절하게 소요될 수 있다. 상기 층상형 구조가 상기 범위의 상한 값 보다 두껍게 적층되는 경우, 온도 상승량이 과도하게 증가하고, 승온 시간 또한 증가하여 연소됨에 따라 화재를 발생시키는 문제가 있다.The above unit battery shredder may have a layered structure having a laminated structure of 1 to 7 layers. Specifically, the layered structure may have a layered structure of 1 to 5 layers. As the layered structure is laminated within the above range, the temperature rise of the shredder may be minimized, and the heating time may be appropriately taken. If the layered structure is laminated thicker than the upper limit of the above range, the temperature rise may excessively increase, and the heating time may also increase, which may cause a fire as it is combusted.
일 실시예에서, 상기 단위 배터리 파쇄물은 하기 조건 2를 만족할 수 있다.In one embodiment, the unit battery shredder may satisfy the
<조건 2> 상기 단위 배터리 파쇄물의 크기는 가로, 세로, 및 높이 방향 중 가장 긴 축인 장축 기준, 100 mm 이하일 수 있다. <
일 실시예에서, 상기 단위 배터리 파쇄물은 장축 기준으로 100 mm 이하의 크기를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 단위 배터리 파쇄물의 크기는 50 mm 이하일 수 있다. 상기 단위 배터리 파쇄물의 크기가 과도하게 큰 경우, 배터리 파쇄물 자체 온도가 100 ℃ 이상으로 상승하여 화재가 발생할 가능성이 높은 문제가 있다.In one embodiment, the unit battery shreds may have a size of 100 mm or less based on the longitudinal axis. Specifically, the size of the unit battery shreds may be 50 mm or less. If the size of the unit battery shreds is excessively large, there is a problem that the temperature of the battery shreds themselves may rise to 100° C. or more, which may lead to a high possibility of a fire occurring.
일 실시예에서, 상기 단위 배터리 파쇄물은 하기 조건 3을 만족할 수 있다.In one embodiment, the unit battery shredder may satisfy the
<조건 3> 상기 단위 배터리 파쇄물을 150 ℃로 재가열 했을 때, 상기 단위 배터리 파쇄물의 무게가 1% 이하로 감소한다.<
상기 조건 3은 상기 단위 배터리 파쇄물은 저온 및 고온 안정화 단계 수행 여부에 대한 지표일 수 있다. 구체적으로, 상기 단위 배터리 파쇄물을 150 ℃에서 재가열하고 냉각되었을 때, 가열 전 배터리 파쇄물의 무게와 가열 후 배터리 파쇄물의 무게를 비교하면 가열 후 배터리 파쇄물의 무게가 가열 전 배터리 파쇄물의 무게 대비 1 % 이하 감소할 수 있다.The
상기 단위 배터리 파쇄물의 무게가 전술한 범위를 만족하는 경우, 본 발명의 저온 안정화 처리 및 고온 안정화 처리를 수행한 것으로, 후공정에서 화재 발생 가능성을 저하시킬 수 있는 안전한 단위 배터리 파쇄물을 제공할 수 있다. 상기 단위 배터리 파쇄물의 무게가 전술한 범위를 벗어나는 경우, 상기 단위 배터리 파쇄물 내 전해액이 용이하게 휘발되지 못한 것으로 후공정에서 화재가 발생하는 문제가 있다. If the weight of the above unit battery shreds satisfies the above-mentioned range, the low-temperature stabilization treatment and the high-temperature stabilization treatment of the present invention have been performed, and safe unit battery shreds can be provided that can reduce the possibility of fire occurring in a post-process. If the weight of the above unit battery shreds exceeds the above-mentioned range, there is a problem that a fire occurs in a post-process because the electrolyte in the unit battery shreds does not easily volatilize.
일 실시예에서, 상기 단위 배터리 파쇄물의 표면은 연소부 및 정상부를 포함할 수 있다. 상기 연소부는 상기 단위 배터리 파쇄물의 표면의 적어도 일부가 연소된 영역을 의미하며, 상기 정상부는 상기 표면에 연소 흔적이 없는 정상부를 의미한다.In one embodiment, the surface of the unit battery shredder may include a burnt portion and a top portion. The burnt portion means an area where at least a portion of the surface of the unit battery shredder is burnt, and the top portion means a top portion of the surface where there are no traces of combustion.
일 실시예에서, 상기 단위 배터리 파쇄물의 표면에 있어서, 상기 정상부에 대한 상기 연소부의 면적비율은 30 % 이하를 만족할 수 있다. 상기 정상부에 대한 상기 연소부의 면적비율이 30 % 이하를 만족함으로써, 상기 단위 배터리 파쇄물이 연소되어 화재가 발생하는 가능성을 방지할 수 있다. 상기 정상부에 대한 상기 연소부의 면적비율이 30 %를 초과하는 경우, 상기 단위 배터리 파쇄물은 연소하여 연기를 동반한 화재를 발생시키는 위험이 있다.In one embodiment, the area ratio of the combustion portion to the top portion on the surface of the unit battery shreds may be satisfactorily 30% or less. By satisfying the area ratio of the combustion portion to the top portion to be 30% or less, the unit battery shreds may be prevented from burning and causing a fire. If the area ratio of the combustion portion to the top portion exceeds 30%, there is a risk that the unit battery shreds may burn and cause a fire accompanied by smoke.
일 실시예에서, 상기 단위 배터리 파쇄물의 표면에 있어서, 상기 연소부는 상기 표면 중 가장자리에 배치될 수 있다. 상기 정상부는 상기 단위 배터리 파쇄물의 표면 중 중심부 부근에 배치될 수 있다. 상기 연소부는 상기 정상부와 대비하여 더욱 짙은 색상을 나타내는 영역을 의미한다.In one embodiment, on the surface of the unit battery shredder, the combustion portion may be arranged at an edge of the surface. The top portion may be arranged near the center of the surface of the unit battery shredder. The combustion portion refers to a region that exhibits a darker color compared to the top portion.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 배터리 파쇄물은 전술한 단위 배터리 파쇄물을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 배터리 파쇄물은 적어도 하나 이상의 상기 단위 배터리 파쇄물의 함량이 상기 배터리 파쇄물 전체 부피 내 90 % 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 단위 배터리 파쇄물의 함량은 상기 배터리 파쇄물 전체 부피 내 95 % 이상일 수 있다. In another embodiment of the present invention, the battery shredder may include at least one of the above-described unit battery shredders. In one embodiment, the battery shredder may have a content of at least one of the unit battery shredders of 90% or more in the total volume of the battery shredder. Specifically, the content of the unit battery shredder may be at least 95% in the total volume of the battery shredder.
구체적으로, 상기 배터리 파쇄물은 7층 초과의 적층 구조를 갖는 단위 배터리 파쇄물의 비율이 상기 배터리 파쇄물 전체 부피 내 10 % 이하, 구체적으로 5 % 이하이거나 장축 기준으로 크기가 100 mm 초과인 적어도 하나 이상의 상기 단위 배터리 파쇄물의 비율이 상기 배터리 파쇄물 전체 부피 내 10 % 이하, 구체적으로 5 % 이하일 수 있다는 내용과 대응될 수 있다.Specifically, the battery shreds may correspond to the content that the proportion of unit battery shreds having a laminated structure exceeding 7 layers may be 10% or less, specifically 5% or less, of the total volume of the battery shreds, or the proportion of at least one unit battery shreds having a size exceeding 100 mm in the long axis may be 10% or less, specifically 5% or less, of the total volume of the battery shreds.
이와 같이, 배터리 파쇄물 전체 부피 내 단위 부피 당 7층 초과의 층상형 구조를 갖는 배터리 파쇄물의 비율 또는 장축 기준으로 크기가 100 mm 초과인 단위 배터리 파쇄물의 비율이 상기 범위를 만족함으로써, 화재 발생을 방지할 수 있다.In this way, fire can be prevented by satisfying the above ranges in the proportion of battery shreds having a layered structure exceeding 7 layers per unit volume within the entire volume of battery shreds or the proportion of unit battery shreds having a size exceeding 100 mm in the long axis.
일 실시예에서, 상기 배터리 파쇄물은 폐배터리로부터 회수된 것으로, 불순물을 포함하며, 상기 불순물은 중량%로, Na, Ca, Mg, 및 K를 포함할 수 있다. 상기 배터리 파쇄물은 폐배터리 재활용 공정의 전처리 과정인 상기 폐배터리를 회수하고, 분쇄하는 과정을 거쳐 제조되는 파쇄 잔여물 또는 블랙파우더 일 수 있다.In one embodiment, the battery shredder is recovered from a waste battery and includes impurities, and the impurities may include, in weight %, Na, Ca, Mg, and K. The battery shredder may be a shredder residue or black powder manufactured through a process of recovering and crushing the waste battery, which is a pretreatment process of a waste battery recycling process.
상기 배터리 파쇄물은 Na, Ca, Mg, 및 K와 같은 불순물을 포함할 수 있다. 상기 배터리 파쇄물은 상기 불순물의 함량을 낮춤으로써, 후공정에서 동족의 유가 금속인 Li의 추출을 용이하게 할 수 있다.The above battery scrap may contain impurities such as Na, Ca, Mg, and K. The above battery scrap may facilitate the extraction of Li, a cognate valuable metal, in a post-process by lowering the content of the impurities.
본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리 파쇄물은 불순물을 포함하며, 상기 불순물은 중량%로, Na: 0.4 % 이하(0 % 제외), Ca: 0.03 % 이하(0 % 제외), Mg: 0.02 % 이하, 및 K: 0.02 % 이하를 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the battery shredder includes impurities, and the impurities may include, in wt%, Na: 0.4 % or less (excluding 0 %), Ca: 0.03 % or less (excluding 0 %), Mg: 0.02 % or less, and K: 0.02 % or less.
이하, 상기 불순물의 함량 한정 이유를 설명한다.Below, the reasons for limiting the content of the above impurities are explained.
Na: 0.4 중량% 이하(0 % 제외)Na: 0.4 wt% or less (excluding 0%)
나트륨(Na)은 상기 배터리 파쇄물로부터 유가 금속을 회수하는 후공정에서 동족 원소로써 수산화리튬 형성 공정에서 리튬대신 나트륨이 일부 반응하여 수산화 나트륨을 형성함으로써 리튬의 회수을 낮추거나, 가성화 공정에서 비용을 상승시키는 부작용이 있다. 상기 배터리 파쇄물은 상기 나트륨을 0.4 중량% 이하로 포함할 수 있고, 구체적으로, 상기 나트륨은 0.1 중량% 이하로 포함할 수 있다.Sodium (Na) is a homologous element in the post-process of recovering valuable metals from the battery scrap, and has the side effect of lowering the recovery of lithium or increasing the cost in the causticization process by partially reacting sodium instead of lithium in the lithium hydroxide forming process to form sodium hydroxide. The battery scrap may contain 0.4 wt% or less of the sodium, and specifically, may contain 0.1 wt% or less of the sodium.
상기 나트륨이 상기 범위보다 많은 양을 함유하는 경우, Na가 증가할 시, 침출공정 및 용매 추출 공정 이후의 용매 내 녹아있는 Li의 결정화 과정에서 Na이 Li과 동일한 1족 원소로써 탄산리튬을 생성할 때 필요한 공정에서 실수율이 떨어지는 문제가 있다. When the above sodium is contained in an amount greater than the above range, there is a problem that the yield decreases in the process required to produce lithium carbonate when Na is a
Ca: 0.03 중량% 이하(0 % 제외)Ca: 0.03 wt% or less (excluding 0%)
칼슘(Ca)은 상기 나트륨과 마찬가지로, 상기 배터리 파쇄물로부터 유가 금속을 회수하는 후공정에서 유가 금속의 회수율을 낮추는 원소이다. 칼슘은 리튬 알루미네이트를 형성할 때 알루미늄보다 반응성이 좋아 리튬 카시네이트 구조를 형성함으로써, 이후 반응이 유리한 리튬 알루미네이트의 형성을 방해하여 최종 리튬의 회수율을 낮추게 된다. 상기 배터리 파쇄물은 상기 칼슘을 0.03 % 이하로 포함할 수 있고, 구체적으로, 상기 칼슘은 0.02 중량 % 이하로 포함할 수 있다.Calcium (Ca), like the sodium, is an element that lowers the recovery rate of valuable metals in the post-process of recovering valuable metals from the battery shreds. Calcium is more reactive than aluminum when forming lithium aluminate, and thus forms a lithium cassinate structure, thereby hindering the formation of lithium aluminate, which is advantageous for subsequent reactions, thereby lowering the final recovery rate of lithium. The battery shreds may contain 0.03% or less of the calcium, and specifically, may contain 0.02 wt% or less of the calcium.
상기 칼슘이 상기 범위보다 많은 양을 함유하는 경우, Ca가 증가할 시 침출공정 이후 불순물 정제 공정인 고액 분리 과정에서 실수율 및 공정시간이 증가하는 문제가 있다. 또한, 상기 칼슘의 함량이 과도하게 많은 경우, 전구체 상태인 니켈, 코발트, 망간 수산화물 및 리튬 수산화물이 합성하여 양극재를 생성할 때, Li[NiCoMn]1-xCax)]O2 로 합성되어, 상기 칼륨이 양극재 산화물 구조를 구성하게 되어, 리튬 이온의 이동을 방해함으로써 전지의 용량이 감소하는 문제가 있다.If the calcium is contained in an amount greater than the above range, there is a problem that the yield and process time increase in the solid-liquid separation process, which is an impurity purification process after the leaching process, when Ca increases. In addition, if the content of calcium is excessively large, when nickel, cobalt, manganese hydroxide and lithium hydroxide, which are precursors, are synthesized to produce a cathode material, they are synthesized as Li[NiCoMn] 1-x Ca x )]O 2 , so that the potassium forms the cathode material oxide structure, which hinders the movement of lithium ions, and there is a problem that the capacity of the battery decreases.
Mg: 0.02 중량% 이하Mg: 0.02 wt% or less
마그네슘(Mg)은 유가 금속 회수 공정에서 산에 의한 침출 시 고상과 액상의 분리를 용이하지 못하게 하는 원소이다. 상기 배터리 파쇄물은 상기 마그네슘을 0.02 중량% 이하, 구체적으로, 0.01 중량% 이하로 포함할 수 있다.Magnesium (Mg) is an element that makes it difficult to separate solid and liquid phases during acid leaching in a metal recovery process. The battery scrap may contain 0.02 wt% or less of magnesium, specifically, 0.01 wt% or less.
상기 마그네슘이 상기 범위보다 많은 양을 함유하는 경우, 니켈과 코발트, 리튬 등의 회수 공정에 부하를 주는 문제가 있다. 또한, 마그네슘의 함량이 과도하게 높은 경우, 전구체 상태인 니켈, 코발트, 망간 수산화물 및 리튬 수산화물과 합성하여 양극재를 생성할 때, Li[NiCoMn]1-xMgx)O2 로 합성되어, 양극재 산화물 구조를 형성하여 리튬 이온의 이동을 방해하여 전지의 용량을 감소시키는 문제가 있다.When the above magnesium is contained in an amount greater than the above range, there is a problem of placing a load on the recovery process of nickel, cobalt, lithium, etc. In addition, when the content of magnesium is excessively high, when producing a cathode material by synthesizing with nickel, cobalt, manganese hydroxide and lithium hydroxide, which are precursors, it is synthesized as Li[NiCoMn] 1-x Mg x )O 2 , forming a cathode material oxide structure, which hinders the movement of lithium ions and reduces the capacity of the battery.
K: 0.02 중량 % 이하K: 0.02 wt % or less
칼륨(K) 역시 리튬과 동족 원소로써 리튬이 수산화합물로 생성되는 거동을 방해하는 역할을 하는 원소이다. 상기 배터리 파쇄물은 상기 칼륨을 0.02 중량% 이하, 구체적으로, 0.01 중량% 이하로 포함할 수 있다. 상기 칼륨이 상기 범위보다 많은 양을 함유하는 경우, 가성화 공정에서 부하를 일으켜 리튬의 회수율을 떨어뜨리는 문제가 있다.Potassium (K) is also an element in the same group as lithium and plays a role in preventing lithium from being formed into a hydroxide compound. The battery shreds may contain potassium in an amount of 0.02 wt% or less, specifically, 0.01 wt% or less. If the potassium is contained in an amount greater than the above range, there is a problem in that it causes a load in the causticization process and reduces the lithium recovery rate.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 배터리 처리 방법은 배터리를 냉동시키는 단계, 냉동된 상기 배터리를 파쇄하는 단계, 및 파쇄된 배터리를 안정화시키는 단계를 포함한다. 상기 배터리 처리 방법은 리튬 이온을 포함하는 다양한 종류의 전지를 처리하는 방법일 수 있으며, 상기 배터리는 예를 들어, 자동차에서 분리된 리튬 이차 전지, 휴대폰, 카메라, 노트북과 같은 전자 기기로부터 분리된 2차 전지 배터리, 구체적으로, 리튬 이차 전지일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a battery processing method includes the steps of freezing a battery, crushing the frozen battery, and stabilizing the crushed battery. The battery processing method may be a method of processing various types of batteries including lithium ions, and the battery may be, for example, a lithium secondary battery separated from an automobile, a secondary battery separated from an electronic device such as a mobile phone, a camera, or a laptop, and specifically, a lithium secondary battery.
일 실시예에서, 상기 배터리를 냉동시키는 단계는 하기 식 1을 만족할 수 있다.In one embodiment, the step of cooling the battery may satisfy the
<식 1><
최소 냉각 시간(Hr)=A × (W0.33)Minimum cooling time (Hr) = A × (W 0.33 )
(A = 4 × e(-0.02×dT), W = 배터리 무게(Kg), dT= │외부 냉각 온도 - 목표 온도│, ││는 절대값을 의미한다)(A = 4 × e (-0.02×dT) , W = battery weight (Kg), dT = │external cooling temperature - target temperature│, ││ represents the absolute value)
상기 식 1의 W는 배터리의 무게를 의미하며, 예를 들어, 전지팩, 단일 배터리, 또는 이들의 조합에 대한 무게를 의미한다. 상기 최소 냉각 시간은 상기 배터리에 가해지는 냉각 온도인 외부 냉각 온도로, 예를 들어 상기 배터리 내에 전해액을 냉각시키기 위한 목표 온도를 의미한다.In the
상기 배터리를 냉동시키는 단계는 상기 최소 냉각 시간 이상을 수행함으로써, 상기 배터리 내부의 전해액까지 냉각되어 안정적으로 후속 공정을 수행할 수 있는 이점이 있다. 상기 배터리를 냉동시키는 단계는 상기 최소 냉각 시간 보다 적은 시간 동안 상기 배터리를 냉동시킬 경우, 전해액이 냉각되지 않아 파쇄 시 화재의 위험이 발생할 수 있는 문제가 있다.The step of freezing the battery has the advantage of being able to perform subsequent processes stably by cooling the electrolyte inside the battery by performing the step for a period longer than the minimum cooling time. If the step of freezing the battery is performed for a period shorter than the minimum cooling time, there is a problem that the electrolyte is not cooled, which may cause a risk of fire when crushed.
상기 배터리를 냉동시키는 단계는 상기 배터리 내에 포함된 전해질이 냉동되기에 충분한 온도로 실시하는 것이다. 구체적으로, 상기 냉동시키는 단계를 예를 들어, - 150 내지 - 20 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 온도 범위는 - 150 내지 - 50 ℃, 더욱 구체적으로, - 80 내지 - 60 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.The step of freezing the battery is performed at a temperature sufficient to freeze the electrolyte contained in the battery. Specifically, the step of freezing may be performed at a temperature range of, for example, -150 to -20°C. More specifically, the temperature range may be -150 to -50°C, and more specifically, -80 to -60°C.
상기 배터리를 상기 온도 범위에서 냉동시키는 경우, 배터리 내부에 미세하게 남아있는 전압, 예를 들어 약 2 V 내지 3 V의 전압이, 0 V에 가깝게 저하되며, 이에 양극 및 음극이 직접 접촉하는 단락이 발생하더라도, 전지 반응이 발생하지 않기 때문에, 전지 온도가 증가하지 않아, 전해질의 가스 발생 및 연소가 발생하지 않게 된다. 또한, 전해질이 냉동 상태 또는 기화 발생이 억제된 상태이기 때문에, 리튬 이온의 이동도가 매우 낮아, 상기 리튬 이온 이동에 따른 통전 특성이 현저하게 감소될 수 있고, 전해액의 기화가 발생하지 않으므로, 에틸렌, 프로필렌, 및 수소의 가연성 기체를 발생시키지 않을 수 있다.When the battery is frozen in the above temperature range, the voltage remaining slightly inside the battery, for example, about 2 V to 3 V, is lowered to close to 0 V, so that even if a short circuit occurs in which the positive and negative electrodes are in direct contact, a battery reaction does not occur, so the battery temperature does not increase, and gas generation and combustion of the electrolyte do not occur. In addition, since the electrolyte is in a frozen state or a state in which vaporization is suppressed, the mobility of lithium ions is very low, so that the conduction characteristics according to the movement of lithium ions can be significantly reduced, and since vaporization of the electrolyte does not occur, flammable gases such as ethylene, propylene, and hydrogen can not be generated.
상기 냉동 공정이 상기 온도 범위를 벗어나는 경우, 예를 들어, - 60 ℃ 보다 높은 온도로 냉각하는 경우에는, 전지 내부에 잔존하는 전압이 0 V까지 저하되지 않아, 단락에 의한 전지 반응이 발생될 수 있고, 전해질이 완전하게 냉동되지 않아, 적절하지 않다. 또한 - 150 ℃까지 냉각하면, 전해질이 충분하게 냉동되며, 전지 내부 전압도 0 V까지 저하되므로, 이보다 낮은 온도로 저하할 필요는 없다. 이와 같이, 배터리 처리 방법은 리튬 이차 전지와 같은 배터리를 파쇄하기 전, 냉동시키는 단계를 포함함으로써, 상기 배터리 파쇄 공정에서 발생할 수 있는 화재의 위험을 방지할 수 있는 이점이 있다.If the above freezing process is outside the above temperature range, for example, if it cools to a temperature higher than -60℃, the voltage remaining inside the battery will not be lowered to 0 V, so a battery reaction due to a short circuit may occur, and the electrolyte will not be completely frozen, which is not appropriate. In addition, if it is cooled to -150℃, the electrolyte is sufficiently frozen, and the voltage inside the battery will also be lowered to 0 V, so there is no need to lower it to a lower temperature. In this way, the battery processing method has the advantage of preventing the risk of fire that may occur in the battery crushing process by including a freezing step before crushing a battery such as a lithium secondary battery.
상기 냉동된 상기 배터리를 파쇄하는 단계는 상기 배터리로부터 상기 배터리의 일부가 떨어져 나가도록 상기 배터리에 충격이나 압박을 가하는 공정을 의미할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 배터리를 파쇄하는 단계는 배터리를 분쇄하는 공정, 배터리를 절단하는 공정, 배터리를 압축하는 공정, 및 이들의 조합을 모두 의미할 수 있다. 구체적으로, 파쇄하는 단계는 배터리를 파괴시켜 작은 크기의 파쇄물로 얻어질 수 있는 모든 공정을 포함할 수 있다.The step of crushing the frozen battery may refer to a process of applying an impact or pressure to the battery so that a portion of the battery falls off from the battery. In one embodiment, the step of crushing the battery may refer to a process of crushing the battery, a process of cutting the battery, a process of compressing the battery, and a combination thereof. Specifically, the step of crushing may include any process that can destroy the battery to obtain small-sized fragments.
일 실시예에서, 상기 배터리를 파쇄하는 단계는 냉동된 배터리를 압축하거나, 전단력 또는 인장력과 같은 외력을 가하여 배터리를 파괴하는 공정을 모두 포함할 수 있다. 상기 배터리를 파쇄하는 단계는 예를 들어 파쇄기를 이용하여 실시할 수 있다.In one embodiment, the step of crushing the battery may include any process of compressing the frozen battery or destroying the battery by applying an external force, such as a shear force or a tensile force. The step of crushing the battery may be performed, for example, using a crusher.
일 실시예에서, 상기 배터리를 파쇄하는 단계는 적어도 1회 이상 수행할 수 있다. 구체적으로 상기 파쇄하는 단계는 연속적 또는 비연속적으로 적어도 1회 이상 수행될 수 있다.In one embodiment, the step of crushing the battery may be performed at least once. Specifically, the step of crushing may be performed at least once, either continuously or discontinuously.
일 실시예에서, 배터리를 파쇄하는 단계는 불활성 가스, 이산화탄소, 질소, 물 또는 이들의 조합을 공급하는 조건 또는 100 torr 이하의 진공 분위기 조건 하에서 실시할 수 있다. 예를 들어, 배터리를 냉동시키는 공정을 - 60 내지 - 20 ℃의 온도 범위에서 냉각하여 실시하는 경우, 전술한 조건 하에서 실시할 경우, 산소 공급을 억제하여, 전해질이 산소와 반응하는 것을 방지할 수 있고, 이로 인한 폭발을 방지할 수 있으며, 전해액의 기화를 억제할 수 있어, 에틸렌, 프로필렌, 또는 수소와 같은 가연성 기체를 발생시키지 않을 수 있다.In one embodiment, the step of crushing the battery comprises supplying conditions including an inert gas, carbon dioxide, nitrogen, water, or a combination thereof. Or, it can be performed under vacuum atmosphere conditions of 100 torr or less. For example, when the process of freezing the battery is performed by cooling in a temperature range of -60 to -20℃, when performed under the above-mentioned conditions, the supply of oxygen can be suppressed, preventing the electrolyte from reacting with oxygen, preventing an explosion caused thereby, and suppressing the vaporization of the electrolyte, so as not to generate flammable gases such as ethylene, propylene, or hydrogen.
일 실시예에서, 상기 배터리 파쇄물 내에 포함되는 적어도 하나 이상의 상기 단위 배터리 파쇄물은 하기 조건 1을 만족할 수 있다.In one embodiment, at least one of the unit battery shreds included in the battery shreds may satisfy the
<조건 1> <
상기 층상형 구조는 1층 이상 내지 7층 이하일 수 있다.The above layered structure may have 1 or more layers and 7 or fewer layers.
상기 조건 1은 양극 또는 음극이 적어도 일면에 적층된 분리막을 포함하는 상기 단위 배터리 파쇄물의 상기 층상형 구조가 1층 이상 내지 7층 이하의 적층 구조로 파쇄하는 단계에서 제어되는 것을 의미할 수 있다.The
일 실시예에서, 상기 층상형 구조는 1층 이상 내지 7층 이하의 적층 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 층상형 구조는 1층 이상 내지 5층 이하의 적층 구조일 수 있다. 상기 층상형 구조는 상기 범위로 적층됨에 따라, 파쇄물의 온도 상승량을 최소화하고, 승온 시간이 적절하게 소요될 수 있다. 상기 층상형 구조가 상기 범위의 상한 값 보다 두껍게 적층되는 경우, 온도 상승량이 과도하게 증가하고, 승온 시간 또한 증가하여 연소되는 문제가 있다.In one embodiment, the layered structure may be a laminated structure having 1 or more layers and 7 or fewer layers. Specifically, the layered structure may be a laminated structure having 1 or more layers and 5 or fewer layers. As the layered structure is laminated within the above range, the temperature rise amount of the shredded material can be minimized and the heating time can be appropriately taken. If the layered structure is laminated thicker than the upper limit of the above range, the temperature rise amount excessively increases and the heating time also increases, which causes a problem of combustion.
일 실시예에서, 상기 배터리 파쇄물 내에 포함되는 적어도 하나 이상의 상기 단위 배터리 파쇄물은 하기 조건 2를 만족할 수 있다.In one embodiment, at least one of the unit battery shreds included in the battery shreds may satisfy the
<조건 2> <
가로, 세로, 및 높이 방향 중 가장 긴 축인 장축 기준으로 상기 단위 배터리 파쇄물의 크기는 100 mm 이하일 수 있다.The size of the unit battery shreds based on the long axis, which is the longest axis among the length, width, and height directions, may be 100 mm or less.
일 실시예에서, 상기 단위 배터리 파쇄물의 크기, 구체적으로 가로, 세로, 및 높이 방향 중 가장 긴 축인 장축 기준으로 100 mm 이하, 구체적으로 50 mm 이하가 되도록 파쇄 단계에서 제어할 수 있다. 상기 배터리 파쇄물의 최대 크기가 100 mm 보다 큰 경우, 배터리 파쇄물이 파쇄됨에 따라 불안정성에 기인하여 발생하는 발열 온도가 전해액의 평균 기화 온도인 120 ℃ 온도 영역까지 상승하게 되어 화재 발생과 같은 안정성에서의 문제가 발생할 수 있다. In one embodiment, the size of the unit battery shreds, specifically, the longest axis among the horizontal, vertical, and height directions, may be controlled in the shredding step to be 100 mm or less, specifically 50 mm or less. If the maximum size of the battery shreds is greater than 100 mm, the heat generation temperature caused by instability as the battery shreds are shredded may rise to a temperature range of 120° C., which is the average vaporization temperature of the electrolyte, and thus a problem in stability, such as a fire, may occur.
일 실시예에서, 상기 배터리 파쇄물 내 포함되는 적어도 하나 이상의 상기 단위 배터리 파쇄물은 하기 조건 4를 만족할 수 있다.In one embodiment, at least one of the unit battery shreds contained within the battery shreds may satisfy the
<조건 4> <
상기 파쇄된 배터리 파쇄물의 탭밀도는 200 내지 600 kg/m3 이다.The tap density of the above-mentioned shredded battery waste is 200 to 600 kg/m 3 .
상기 탭밀도는 통상 분체 검체를 넣은 측정용 용기를 기계적으로 탭하여 얻은 겉보기 밀도를 의미한다. 구체적으로, 상기 리튬이온 배터리 파쇄물의 탭밀도 특성을 파악하기 위해서, 30 kg의 30개 정도의 셀로 구성된 상용화 배터리 모듈을 파쇄기(Crusher)로 파쇄하여, 해당 파쇄물의 안정화를 위해 제작한 케이스(용적: 가로 0.44 m × 세로 0.7 m × 높이 0.5 m)에 담아서 이를 기계적으로 탭하여 겉보기 밀도를 측정하였다. 더욱 구체적으로, 배터리 무게 (M, kg)에 케이스 용적 (V, m3)을 나누어 밀도(ρ= M/V)를 구하였다. 전술한 방법으로 산출된 상기 단위 배터리 파쇄물의 탭밀도는 200 내지 600 kg/m3 이다. 구체적으로, 상기 탭밀도는 200 내지 300 kg/m3 일 수 있다.The above tap density refers to the apparent density obtained by mechanically tapping a measuring container containing a typical powder sample. Specifically, in order to determine the tap density characteristics of the lithium-ion battery shredder, a commercialized battery module consisting of about 30 cells weighing 30 kg was crushed by a crusher, placed in a case (volume: 0.44 m wide × 0.7 m long × 0.5 m high) manufactured to stabilize the shredder, and mechanically tapped to measure the apparent density. More specifically, the density (ρ = M/V) was obtained by dividing the battery weight (M, kg) by the case volume (V, m3). The tap density of the unit battery shredder calculated by the above-described method is 200 to 600 kg/ m3 . Specifically, the tap density can be 200 to 300 kg/ m3 .
상기 탭밀도가 상한 값을 벗어나는 경우, 파쇄물 조각들이 조밀하게 적층되어 있는 파쇄물들의 단선에 의해 순간적으로 열이 발생하여 화재가 발생하는 위험이 있고, 전해질이 외부로 빠져나갈 수 있는 공간이 좁아져 안정화 처리량이 감소하는 문제가 있다. 상기 탭밀도가 하한 값을 벗어나는 경우는 파쇄물 간의 공간에 틈이 많이 생기며 부피를 많이 차지하여 후공정에 이송하기 위해 추가적으로 가압 공정이 요구되는 문제가 있다.If the above tap density exceeds the upper limit, there is a risk of fire due to instantaneous heat generation by the short circuit of the densely stacked pieces of shredded material, and there is a problem of reduced stabilization processing capacity due to the narrow space through which the electrolyte can escape to the outside. If the above tap density exceeds the lower limit, there is a problem of many gaps between the shredded material and the volume is large, requiring an additional pressurization process to transport it to the post-process.
일 실시예에서, 상기 배터리를 파쇄하는 단계는 상기 단위 배터리 파쇄물의 비율이 상기 배터리 파쇄물 전체 부피 내 90 % 이상, 구체적으로 95 % 이상으로 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 7층 초과의 적층 구조를 갖는 단위 배터리 파쇄물의 비율이 상기 배터리 파쇄물 전체 부피 내 10 % 이하가 되도록 제어하는 것과 대응될 수 있다. 구체적으로 7층 초과의 적층 구조를 갖는 단위 배터리 파쇄물의 비율이 상기 배터리 파쇄물 전체 부피 내 5 % 이하가 되도록 제어할 수 있다. 상기 범위를 만족함으로써, 화재 발생을 방지할 수 있는 이점이 있다. In one embodiment, the step of shredding the battery may further include the step of controlling the proportion of the unit battery shreds to be 90% or more, specifically 95% or more, of the total volume of the battery shreds. Specifically, this may correspond to controlling the proportion of the unit battery shreds having a laminated structure exceeding 7 layers to be 10% or less of the total volume of the battery shreds. Specifically, the proportion of the unit battery shreds having a laminated structure exceeding 7 layers may be controlled to be 5% or less of the total volume of the battery shreds. By satisfying the above range, there is an advantage in that the occurrence of a fire can be prevented.
일 실시예에서, 상기 파쇄된 배터리 파쇄물을 안정화시키는 단계는 하기 조건 5를 만족할 수 있다.In one embodiment, the step of stabilizing the shredded battery fragments may satisfy the following condition 5.
<조건 5><Condition 5>
30 ℃ 이하에서 저온 안정화 처리가 수행되고, 120 내지 150 ℃에서 고온 안정화 처리가 수행된다.Low-temperature stabilization treatment is performed at 30°C or lower, and high-temperature stabilization treatment is performed at 120 to 150°C.
구체적으로, 상기 안정화를 시키는 단계는 저온 안정화 처리 단계와 상기 저온 안정화 처리 단계 보다 높은 온도에서 수행되는 고온 안정화 처리 단계를 포함할 수 있다. 상기 안정화시키는 단계는 상기 저온 안정화 처리 단계와 상기 고온 안정화 처리 단계를 동시에 수행함으로써, 파쇄된 배터리 파쇄물 내 전해질을 휘발시켜 배터리 파쇄물의 무게를 감소시키고 탭밀도는 감소한다.Specifically, the stabilizing step may include a low-temperature stabilization treatment step and a high-temperature stabilization treatment step performed at a higher temperature than the low-temperature stabilization treatment step. The stabilizing step performs the low-temperature stabilization treatment step and the high-temperature stabilization treatment step simultaneously, thereby volatilizing the electrolyte in the crushed battery waste, thereby reducing the weight of the battery waste, and decreasing the tap density.
상기 저온 안정화 처리 단계는 상기 파쇄된 배터리 파쇄물을 30 ℃ 이하의 온도에서 안정화시키는 단계일 수 있다. 구체적으로, 상기 저온 안정화 처리 단계는 상기 파쇄된 배터리 파쇄물이 자체 발열하며 안정화되는 단계일 수 있다. 더욱 구체적으로, 배터리의 잔존용량을 나타내는 SOC(State of Charge)의 조건에 따라 파쇄물의 자체 발열에 있어서 차이가 난다. 더욱 구체적으로 상기 SOC가 30 % 이상일 때, 갑작스러운 발열이 발생하여 화재가 발생할 수 있다. 따라서, 저온 안정화 처리 단계는 전술한 화재 위험성을 최소화하기 위해 10 ℃ 이하의 온도에서 배터리를 안정화시키는 사전 단계일 수 있다.The above low-temperature stabilization treatment step may be a step of stabilizing the crushed battery shreds at a temperature of 30° C. or lower. Specifically, the low-temperature stabilization treatment step may be a step in which the crushed battery shreds are stabilized through self-heating. More specifically, there is a difference in self-heating of the shreds depending on the condition of the SOC (State of Charge) indicating the remaining capacity of the battery. More specifically, when the SOC is 30% or higher, sudden heat generation may occur, which may cause a fire. Therefore, the low-temperature stabilization treatment step may be a preliminary step of stabilizing the battery at a temperature of 10° C. or lower in order to minimize the aforementioned fire risk.
일 실시예에서, 저온 안정화 처리 단계는 6 내지 12 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 저온 안정화 처리 단계가 전술한 시간 범위의 상한 값을 벗어나는 경우 화재위험성은 최소화되나 제조리드타임 길어져 생산성이 감소되는 문제가 있다. 상기 저온 안정화 처리 단계가 전술한 시간 범위의 하한 값을 벗어나는 경우, 충분히 안전하게 전해질 제거가 안될 수 있어 후 공정 화재발생의 문제가 있다. 일 실시예에서, 상기 저온 안정화 처리 단계에서 상기 배터리 파쇄물의 무게는 2.8 내지 4.6 % 감소할 수 있다. 구체적으로, 상기 배터리 파쇄물의 무게는 저온 안정화 처리 단계 수행 전 배터리 파쇄물의 무게 대비 2.8 내지 4.6 % 감소할 수 있다. 상기 저온 안정화 처리를 통해, 전술한 범위로 배터리 파쇄물의 무게가 감소함으로써, 저온 휘발성 전해액을 용이하게 제거될 수 있다.In one embodiment, the low-temperature stabilization treatment step can be performed for 6 to 12 hours. If the low-temperature stabilization treatment step is outside the upper limit of the aforementioned time range, the fire risk is minimized, but there is a problem that the manufacturing lead time is lengthened and productivity is reduced. If the low-temperature stabilization treatment step is outside the lower limit of the aforementioned time range, the electrolyte may not be removed sufficiently safely, which may cause a problem of a post-process fire. In one embodiment, the weight of the battery shreds may be reduced by 2.8 to 4.6% in the low-temperature stabilization treatment step. Specifically, the weight of the battery shreds may be reduced by 2.8 to 4.6% compared to the weight of the battery shreds before the low-temperature stabilization treatment step is performed. Through the low-temperature stabilization treatment, the weight of the battery shreds is reduced within the aforementioned range, so that the low-temperature volatile electrolyte can be easily removed.
상기 고온 안정화 처리 단계는 120 내지 150 ℃에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 고온 안정화 처리 단계는 상기 저온 안정화 처리 단계를 거쳐 안정화된 배터리 파쇄물에 고온의 열을 가하여 상기 배터리 파쇄물 내 전해액을 휘발시키는 단계일 수 있다.The above high temperature stabilization treatment step may be performed at 120 to 150° C. Specifically, the high temperature stabilization treatment step may be a step of applying high temperature heat to the battery shreds stabilized through the low temperature stabilization treatment step to volatilize the electrolyte within the battery shreds.
상기 고온 안정화 처리 단계가 전술한 온도 범위의 상한 값을 벗어나는 경우, 화재가 발생 문제가 있다. 상기 고온 안정화 처리 단계가 전술한 온도 범위의 하한 값을 벗어나는 경우, 배터리 파쇄물 내 전해액이 충분히 휘발되지 않는 문제가 있다.If the above high temperature stabilization treatment step exceeds the upper limit of the above temperature range, there is a problem of fire occurrence. If the above high temperature stabilization treatment step exceeds the lower limit of the above temperature range, there is a problem of the electrolyte in the battery shreds not being sufficiently volatilized.
일 실시예에서, 고온 안정화 처리 단계는 6시간 내지 12 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 고온 안정화 처리 단계가 전술한 시간 범위의 상한 값을 벗어나는 경우, 제조리드타임 증가로 생산성에 문제가 있다. 상기 고온 안정화 처리 단계가 전술한 시간 범위의 하한 값을 벗어나는 경우, 전해질이 충분히 제거되지 않아 후공정에 화재를 유발할 수 있는 문제가 있다.In one embodiment, the high temperature stabilization treatment step may be performed for 6 to 12 hours. If the high temperature stabilization treatment step is outside the upper limit of the above-mentioned time range, there is a problem with productivity due to an increase in manufacturing lead time. If the high temperature stabilization treatment step is outside the lower limit of the above-mentioned time range, there is a problem that the electrolyte is not sufficiently removed, which may cause a fire in the subsequent process.
일 실시예에서, 상기 고온 안정화 처리 단계에서 상기 배터리 파쇄물의 무게는 저온 안정화 처리 단계 수행 전 배터리 파쇄물의 무게 대비 8 내지 10 % 감소할 수 있다. 구체적으로, 상기 배터리 파쇄물의 무게가 전술한 범위를 만족함으로써, 고온 휘발성 전해액이 용이하게 휘발된 것을 확인할 수 있다.In one embodiment, the weight of the battery shreds in the high-temperature stabilization treatment step may be reduced by 8 to 10% compared to the weight of the battery shreds before performing the low-temperature stabilization treatment step. Specifically, when the weight of the battery shreds satisfies the above-mentioned range, it can be confirmed that the high-temperature volatile electrolyte is easily volatilized.
예를 들어, 배터리의 무게 100 %를 기준으로, 전해액은 10 내지 15 %를 차지할 수 있다. 고온 안정화 처리 단계 완료 후, 상기 전해액의 무게 중 60 내지 70 % 정도가 휘발되며 이는 배터리 전체 무게 100 %를 기준으로, 9 내지 10 % 감소된 것을 의미한다.For example, based on 100% of the battery's weight, the electrolyte may account for 10 to 15%. After the high-temperature stabilization treatment step is completed, about 60 to 70% of the electrolyte's weight is volatilized, which means a reduction of 9 to 10% based on 100% of the total battery weight.
일 실시예에서, 고온 안정화 처리 단계 이전에 중간 안정화 처리 단계를 포함할 수 있으며, 중간 안정화 처리 단계의 시간은 고온 안정화 처리 시간에 포함된다. 상기 중간 안정화 처리 단계는 저온 안정화 처리 단계와 고온 안정화 처리 단계 사이에서 배터리 파쇄물 내 전해액을 휘발시키는 단계일 수 있다. In one embodiment, an intermediate stabilization treatment step may be included prior to the high temperature stabilization treatment step, and the time of the intermediate stabilization treatment step is included in the high temperature stabilization treatment time. The intermediate stabilization treatment step may be a step for volatilizing the electrolyte in the battery shreds between the low temperature stabilization treatment step and the high temperature stabilization treatment step.
상기 중간 안정화 처리 단계는 저온 안정화 처리 단계 보다 높고, 고온 안정화 처리 단계 보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 중간 안정화 처리 단계는 30 내지 120 ℃에서 수행될 수 있다. The intermediate stabilization treatment step can be performed at a temperature higher than the low temperature stabilization treatment step and lower than the high temperature stabilization treatment step. In one embodiment, the intermediate stabilization treatment step can be performed at 30 to 120° C.
일 실시예에서, 중간 안정화 처리 단계는 다단 열처리로 수행될 수 있다. 상기 중간 안정화 처리 단계는 30 내지 60 ℃의 제1 온도, 60 내지 90 ℃의 제2 온도, 및 90 내지 120 ℃의 제3 온도에서 순차적으로 수행될 수 있다.In one embodiment, the intermediate stabilization treatment step can be performed as a multi-stage heat treatment. The intermediate stabilization treatment step can be performed sequentially at a first temperature of 30 to 60 °C, a second temperature of 60 to 90 °C, and a third temperature of 90 to 120 °C.
이와 같이, 고온 안정화 처리 단계 이전에 중간 안정화 처리 단계를 수행함으로써, 배터리 파쇄물의 온도를 서서히 상승시켜 안정적으로 배터리 파쇄물 내 전해액을 휘발시킬 수 있다.In this way, by performing an intermediate stabilization treatment step prior to a high-temperature stabilization treatment step, the temperature of the battery shreds can be gradually increased to stably volatilize the electrolyte within the battery shreds.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments and comparative examples of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
<실험예><Experimental example>
<최소 냉동 시간에 따른 배터리 내부 온도><Battery internal temperature according to minimum freezing time>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 냉각 온도에 따른 배터리의 전압의 변화를 나타낸다Figure 1 shows the change in voltage of a battery according to cooling temperature according to one embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 배터리를 - 80 ℃로 냉동하면서, 전지 전압을 측정하면 전지 팩은 약 40 ℃의 고온, 상온 및 - 60 ℃까지는 거의 동일한 전압을 나타내고 있으므로, 전지 특성을 잃지 않는 것을 확인할 수 있다. 이어서, 온도가 - 60 ℃부터 - 70 ℃로 온도가 저하되는 경우, 전압이 급격하게 저하되어, - 70 ℃ 아래에서는 전압이 0 V가 되는 결과를 확인하였다. 이와 같이, 배터리를 - 60 내지 - 150 ℃로 냉동하는 경우, 단락이 발생하지 않는 것을 확인하였다.Referring to Fig. 1, when the battery is frozen to -80°C and the battery voltage is measured, the battery pack shows almost the same voltage at a high temperature of about 40°C, room temperature, and -60°C, so it can be confirmed that the battery characteristics are not lost. Next, it was confirmed that when the temperature decreases from -60°C to -70°C, the voltage decreases rapidly, and the voltage becomes 0 V below -70°C. In this way, it was confirmed that a short circuit does not occur when the battery is frozen to -60 to -150°C.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리 무게, 외부 냉각 온도, 냉각 시간의 관계를 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the relationship between battery weight, external cooling temperature, and cooling time according to one embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 처리 방법은, 배터리를 냉동하는 단계에 있어서, 배터리를 냉각하기 위한 최소 냉각 시간을 도출할 수 있음을 확인할 수 있다. 구체적으로, 상기 최소 냉각 시간은 배터리 무게, 외부 냉각 온도, 및 목표 온도와 관련 있음을 확인할 수 있다. 구체적으로, 목표 온도를 - 70 ℃로 설정하고, 배터리 무게를 각각 2.5 kg(A), 10 kg(B), 20 kg(C), 및 50 kg(D)로 하였을 때, 외부 냉각 온도 및 최소 냉각 시간을 도시한 것이다. 배터리를 냉각 시, 배터리의 전해액은 소정 시간을 거친 후, 냉각이 시작되어 전압이 0 V가 되는 상태를 확인할 수 있다. 이를 통해, 상기 배터리를 냉각시킴에 있어서, 내부, 구체적으로 전해액까지 충분히 냉각시키기 위한 최소한의 유지 시간이 필요한 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 2, it can be confirmed that a battery processing method according to an embodiment of the present invention can derive a minimum cooling time for cooling a battery in the step of freezing a battery. Specifically, it can be confirmed that the minimum cooling time is related to the battery weight, the external cooling temperature, and the target temperature. Specifically, when the target temperature is set to -70° C. and the battery weights are 2.5 kg (A), 10 kg (B), 20 kg (C), and 50 kg (D), respectively, the external cooling temperature and the minimum cooling time are shown. When cooling the battery, it can be confirmed that the electrolyte of the battery starts cooling after a predetermined time and the voltage becomes 0 V. Through this, it can be confirmed that a minimum maintenance time is required to sufficiently cool the inside, specifically the electrolyte, when cooling the battery.
구체적으로, 외부로 열을 빼앗기는 냉각을 위한 열전달 상황에서, 배터리 자체의 비열을 고려할 경우, 배터리 무게와 냉각을 위한 시간을 필요로 하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 배터리를 냉각시키기 위해 냉동을 위한 외부 냉각 온도와 목표 온도, 배터리 무게를 이용하여 냉각에 필요한 최소한의 시간을 확인할 수 있다.Specifically, in a heat transfer situation for cooling where heat is taken out to the outside, when considering the specific heat of the battery itself, it can be confirmed that the battery weight and time for cooling are required. In this way, in the present invention, the minimum time required for cooling can be confirmed by using the external cooling temperature for refrigeration, the target temperature, and the battery weight to cool the battery.
하기 표 1 에서는 배터리 무게, 외부 냉각 온도에 따른 최소 냉각 시간을 기재한 것이다.Table 1 below lists the minimum cooling time based on battery weight and external cooling temperature.
[℃]Target temperature
[℃]
상기 표 1을 살펴보면, 배터리 무게가 작을수록, 냉각의 대상이 되는 배터리의 최소 냉각 시간이 더욱 적게 소요되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 배터리 무게, 외부 냉각 온도, 및 목표 온도에 따른 관계식으로부터 도출되는 식 1의 값을 최소 냉각 시간으로 냉각시켰을 때, 배터리, 구체적으로, 상기 배터리의 전해질까지 냉각되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 식 1의 값 이상의 시간 동안 배터리를 냉각시켰을 때, 후공정인, 배터리 분쇄 과정에서 화재가 발생하지 않는다.Looking at Table 1 above, it can be seen that the smaller the battery weight, the shorter the minimum cooling time required for the battery to be cooled. In addition, it can be seen that when the value of
도 3a 및 3b는 본 발명의 최소 냉각 시간에 따른, 실시예의 사진이고, 도 3c 및 3d는 본 발명의 최소 냉각 시간에 따른, 비교예의 사진이다.FIGS. 3a and 3b are photographs of examples according to the minimum cooling time of the present invention, and FIGS. 3c and 3d are photographs of comparative examples according to the minimum cooling time of the present invention.
도 3a 및 3b를 참조하면, 배터리를 냉각함에 있어서, 필요한 최소 냉각 시간 보다 적은 시간동안 냉동시켰을 때의 파쇄물의 화재 발생 상태를 실험한 것이다. 상기 실험에서는 배터리 무게 25 kg, 외부 냉각 온도 - 95 ℃, 및 목표 냉동 온도 - 70 ℃ 일 때, 하기 식 1의 값이 7 시간일 때 상기 식 1의 값 보다 낮은 5 시간 동안 실험을 진행한 것이다.Referring to FIGS. 3a and 3b, the fire occurrence status of shredded material when frozen for a time shorter than the minimum cooling time required for cooling the battery was tested. In the test, when the battery weight was 25 kg, the external cooling temperature was -95°C, and the target freezing temperature was -70°C, the value of
<식 1><
최소 냉각 시간 = A × (W0.33)Minimum cooling time = A × (W 0.33 )
(A = 4 × e(-0.02×dT), W = 배터리 무게(Kg), dT= │외부 냉각 온도 - 목표 온도│, ││는 절대값을 의미한다)(A = 4 × e (-0.02×dT) , W = battery weight (Kg), dT = │external cooling temperature - target temperature│, ││ represents the absolute value)
도 3c 및 3d를 참조하면, 배터리를 냉각에 필요한 최소 냉동 시간 이상으로 냉동시켰을 때의 파쇄물의 화재 발생 상태를 실험한 것이다. 상기 실험에서는 도 3a 및 3b와 동일한 배터리 무게, 외부 냉각 온도, 최소 냉동 시간을 7 시간 이상으로 한 경우로 실험한 것이다.Referring to Figures 3c and 3d, the fire occurrence status of the shredded material was tested when the battery was frozen for a minimum freezing time required for cooling. The above experiment was performed with the same battery weight as Figures 3a and 3b, the external cooling temperature, and the minimum freezing time of 7 hours or more.
하기 표 2는 3a 내지 3d에 따른, 동일한 배터리 무게, 외부 냉각 온도, 및 최소 냉동 시간 따른, 실시예 및 비교예의 화재 발생 상태를 비교한 것이다. 상기 화재 발생 상태에 대한 판별은, 배터리 파쇄 후, 화재 발생이 관찰되면 "O", 그렇지 않은 경우 "X"로 하였다.Table 2 below compares the fire occurrence status of the examples and comparative examples according to the same battery weight, external cooling temperature, and minimum freezing time according to 3a to 3d. The determination of the fire occurrence status was made as follows: if fire occurrence was observed after battery crushing, “O”; otherwise, “X”.
[℃]Target temperature
[℃]
상기 표 2를 살펴보면, 최소 냉각 시간에 해당하는 식 1의 값 보다 작은 값으로 배터리를 냉각시킬 경우, 전해질까지 냉각되지 않아, 배터리 파쇄 후 화재가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 식 1의 값을 최소 냉각 시간으로 하여, 배터리를 냉각시킬 경우, 배터리 파쇄 후, 화재 발생 없이 안정적으로 파쇄물을 활용할 수 있음을 확인할 수 있다.Looking at Table 2 above, it can be seen that if the battery is cooled to a value smaller than the value of
<배터리 파쇄 단계 - 파쇄물의 크기><Battery shredding stage - shred size>
냉동 배터리를 파쇄하더라도, 파쇄 중 화재가 발생할 가능성이 낮지만, 배터리 내부에 상기 배터리의 충전 상태에 따라 파쇄물 내에도 전위차를 가지게 된다. 본 발명에서, 파쇄물의 온도가 얼마까지 상승하는지 측정하여 파쇄물을 안정화시키는 기준을 설정하였다.Even if the frozen battery is shredded, there is a low possibility of a fire occurring during the shredding, but the shredded material also has a potential difference depending on the state of charge of the battery inside the battery. In the present invention, a standard for stabilizing the shredded material is set by measuring how much the temperature of the shredded material rises.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 파쇄물의 시간에 따른 온도 그래프이다.FIG. 4 is a graph of temperature over time of a shredded material according to one embodiment of the present invention.
도 4는, 20 mm 크기의 파쇄물을 기준으로 최대 발열 온도를 확인하기 위해, 시간에 따른 온도 변화를 확인한 것이다. 구체적으로, 냉동 단계를 거친 배터리를 파쇄한 후, 생성된 파쇄물 중 20 mm 크기의 파쇄물을 대기에 두고 공기를 이용한 냉각 방법으로 시간에 따른 온도 변화를 측정한 것이다. 20 mm 크기의 파쇄물의 경우, 최대 발화 온도가 약 65 ℃인 것을 확인할 수 있다. 이는 전해액의 평균 기화 온도인 120 ℃ 보다 낮은 것을 확인할 수 있다.Figure 4 shows the temperature change over time to confirm the maximum heating temperature based on 20 mm-sized shredded materials. Specifically, after shredding a battery that has gone through a freezing step, the temperature change over time was measured by placing 20 mm-sized shredded materials among the generated shredded materials in the air and using a cooling method using air. It can be confirmed that the maximum ignition temperature is approximately 65°C for 20 mm-sized shredded materials. It can be confirmed that this is lower than the average vaporization temperature of the electrolyte, which is 120°C.
하기 표 3은 파쇄물 크기에 따라 온도 승온량을 측정한 것이다.Table 3 below shows the temperature increase amount measured according to the size of the crushed material.
상기 표 3을 살펴보면, 파쇄물의 크기에 따라, 재승온하는 온도의 차이가 발생함을 확인할 수 있고, 공정 설계를 위한 안정화 온도로, 파쇄물의 평균 크기를 가로, 세로, 및 높이 방향 중 가장 긴 축인 장축이 100 mm 이내로 파쇄되어야 함을 확인하였다.Looking at Table 3 above, it can be confirmed that there is a difference in the reheating temperature depending on the size of the shredded material, and it was confirmed that, as a stabilization temperature for process design, the average size of the shredded material should be shredded to a length of 100 mm or less along the longest axis among the horizontal, vertical, and height directions.
또한, 파쇄물 크기에 따라, 파쇄물은 물리적으로 안정화되는 시간이 필요하다. 파쇄물의 안정화를 위한 방법으로, 120 ℃ 보다 낮은 온도 조건에서 소정의 공정 시간 동안 지속 유지하거나, 대기의 산소와의 접촉을 저감하기 위해 불활성 가스를 투입한 상태에서 소정의 공정 시간 동안 유지가 필요하다.In addition, depending on the size of the shreds, the shreds require time to be physically stabilized. As a method for stabilizing the shreds, it is necessary to maintain them for a predetermined process time under temperature conditions lower than 120℃, or to maintain them for a predetermined process time while introducing an inert gas to reduce contact with oxygen in the atmosphere.
본 발명에서, 평균 파쇄물 크기 20 mm 기준으로 상온 30 ℃ 수준으로 약 3 시간 정도 유지하였으며, 이때, 상기 파쇄물의 상승되었던 온도가 상온 수준까지 하락한 것을 확인할 수 있다. In the present invention, the crushed material was maintained at a room temperature of 30°C for about 3 hours based on an average crushed material size of 20 mm, and at this time, it was confirmed that the increased temperature of the crushed material had dropped to the room temperature level.
상기 안정화 시간은 100 mm 이하의 파쇄물의 경우, 유지 시간을 수 분 이내로 두어도 문제되지 않으나, 100 mm 초과의 파쇄물의 경우, 최소 3 시간 이상의 안정화 시간을 가져야한다.For the above stabilization time, for fragments less than 100 mm, there is no problem if the holding time is within several minutes, but for fragments greater than 100 mm, the stabilization time must be at least 3 hours.
<배터리 파쇄 단계 - 배터리 파쇄물의 파쇄물 층 제어 단계><Battery shredding stage - Shredder layer control stage of battery shredder>
파쇄물의 최소 냉동시간 이하에서 파쇄를 실시하였을 때, 파쇄물이 극저온 상태에서 취성파단이 발생하지 않아 파쇄물의 크기가 크거나 양극집전체와 음극집전체가 여러 층으로 존재함에 따라 파쇄물의 두께가 두꺼워지는 문제가 발생하였다. 상기 파쇄물의 층 두께가 두꺼워짐에 따라 온도 상승량이 많고 승온 시간이 장시간 소요되는 문제가 있다.When crushing is performed below the minimum freezing time of the crushed material, a problem occurs in that the crushed material is large in size or the thickness of the crushed material increases because brittle fracture does not occur in the cryogenic state or the positive and negative collectors exist in multiple layers. As the thickness of the layers of the crushed material increases, there is a problem in that the temperature increase amount is large and the heating time takes a long time.
하기 표 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 배터리 파쇄물에 있어서, 층상형 구조에 따른 온도 상승량을 열화상 카메라로 측정한 것이다.Table 4 below shows the temperature rise according to the layered structure in a unit battery shredder according to one embodiment of the present invention, as measured by a thermal imaging camera.
하기 표 4를 참조하면, 층상형 구조의 경우, 양극-분리막-음극이 1층을 의미하며, 파쇄물이 다층으로 적층될 경우, 양극-분리막-음극-분리막-양극-분리막-음극… 순으로 배치된 것이다. 구체적으로, 폐배터리 내 양극 또는 상기 음극 사이에 분리막 구조를 1층 구조로 하여 다층으로 배치된 것을 의미한다. 구체적으로, 분리막을 기준으로 상기 분리막의 적어도 일면에 양극 또는 음극이 배치된 것일 수 있다.Referring to Table 4 below, in the case of a layered structure, anode-separator-cathode means 1 layer, and when the shredded materials are laminated in multiple layers, they are arranged in the order of anode-separator-cathode-separator-anode-separator-cathode... Specifically, it means that the separator structure is arranged in multiple layers with the anode or the cathode in the waste battery as a 1-layer structure. Specifically, the anode or cathode may be arranged on at least one side of the separator based on the separator.
하기 표 4에서 파쇄물의 평균 크기는 20 mm로 평가하였으며, 파쇄 후 파쇄물의 층수별 온도 평가와 냉동 온도에서 최대 온도로 상승한 후 다시 40 ℃까지 강하하는데 소요되는 회복 시간을 측정한 것이다.In Table 4 below, the average size of the shredded material was evaluated as 20 mm, and the temperature of each layer of the shredded material after shredding was evaluated and the recovery time required to increase from the freezing temperature to the maximum temperature and then decrease back to 40°C was measured.
이때, 파쇄물의 크기는 파쇄물의 장축 및 단축 중 장축을 기준으로 측정하였다.At this time, the size of the shredded material was measured based on the long axis among the long and short axes of the shredded material.
[층수]Layered structure number of floors
[Floor]
[mm]shred size
[mm]
[℃]Maximum temperature
[℃]
회복 시간
[min]Below 40℃
Recovery time
[min]
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 단위 배터리 파쇄물을 도시한다.FIGS. 5A to 5C illustrate unit battery fragments according to one embodiment and a comparative example of the present invention.
도 5a를 참조하면, 단위 배터리 파쇄물의 파쇄물 크기 및 층상형 구조 층수에 따른 실시예 및 비교예를 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5a, examples and comparative examples can be confirmed according to the size of the fragments of the unit battery fragments and the number of layers of the layered structure.
상기 도 5a 및 상기 표 4를 동시에 살펴보면, 층상형 구조의 층수가 3 층 이하인 경우, 파쇄물의 온도가 110 ℃ 이하로 안정적으로 유지하였으며, 7 층 보다 높은 층수를 갖는 경우, 105 ℃ 보다 높은 온도로 상승한 후, 전해액과 반응하기 때문에 연소가 발생하는 것을 확인하였다.When examining the above FIG. 5a and Table 4 simultaneously, it was confirmed that when the number of layers of the layered structure was 3 or less, the temperature of the shredded material was stably maintained below 110°C, and when the number of layers was higher than 7, the temperature rose to higher than 105°C and combustion occurred because it reacted with the electrolyte.
도 5b를 참조하면, 배터리 파쇄물의 무게 비율에 따른 혼합 비율을 확인할 수 있다. 구체적으로, 층상형 구조가 7층 이하(도 5b의 좌측)인 배터리 파쇄물의 무게는 905 g이고, 층상형 구조가 7층 초과(도 5b의 우측)인 배터리 파쇄물의 무게는 95 g으로 혼합하였다.Referring to Fig. 5b, the mixing ratio according to the weight ratio of the battery shreds can be confirmed. Specifically, the weight of the battery shreds having a layered structure of 7 layers or less (left side of Fig. 5b) was 905 g, and the weight of the battery shreds having a layered structure of more than 7 layers (right side of Fig. 5b) was mixed at 95 g.
상기 배터리 파쇄물의 크기는 1 층의 경우, 최대 100 mm를 넘으면 최대 온도가 105 ℃ 보다 높은 온도로 상승하여 화재가 발생할 가능성이 큰 것을 확인하였다. 또한, 100 mm 이하에서도 층상형 구조의 층수가 10 이상, 구체적으로 7 초과인 경우 화재가 발생할 가능성이 커지는 것을 확인하였다.It was confirmed that the size of the above battery shreds exceeds 100 mm for one layer, and the maximum temperature rises to over 105℃, which increases the possibility of a fire. In addition, it was confirmed that even when the size is less than 100 mm, the possibility of a fire increases when the number of layers of the layered structure is 10 or more, specifically, over 7.
하기 표 5는 본 발명의 배터리 파쇄물에 있어서, 층상형 구조가 7층 초과인 파쇄물의 중량% 비율에 따른 화재 발생 가능성을 나타낸다.Table 5 below shows the possibility of fire occurrence according to the weight % ratio of the battery shreds of the present invention, in which the layered structure exceeds 7 layers.
무게 비율
[%]Over 7 floors
Weight ratio
[%]
[횟수]Number of experiments
[number]
[횟수]Frequency of fire occurrence
[number]
상기 표 5를 살펴보면, 1 kg 셀 단위로 파쇄물 내 여러 차례 화재 발생 빈도를 측정한 결과, 층상형 구조의 층수가 7층 초과인 파쇄물의 무게 비율이 포함되더라도 전체 무게 비율 기준으로 10 % 이하 포함되는 경우, 화재 발생이 거의 발생하지 않은 것을 확인하였다.또한, 층상형 구조의 층수가 7층 초과인 파쇄물의 무게 비율이 전체 무게 비율 기준으로 10 % 초과하여 포함되는 경우, 3차례 실험에서 모두 화재가 발생한 것을 확인하였다. 이때, 상기 화재의 발화 위치는 7층 이상의 두꺼운 파쇄물에서 시작되는 것을 확인하였다.Looking at Table 5 above, as a result of measuring the frequency of fire occurrence within the shredded material in units of 1 kg cells several times, it was confirmed that even when the weight ratio of the shredded material with a layered structure exceeding 7 layers was included and was less than 10% based on the total weight ratio, fire occurrence rarely occurred. In addition, it was confirmed that when the weight ratio of the shredded material with a layered structure exceeding 7 layers was included and exceeded 10% based on the total weight ratio, fire occurred in all three experiments. At this time, it was confirmed that the ignition location of the fire started in the shredded material that was thicker than 7 layers.
이와 같이, 상기 파쇄물의 상기 층상형 구조의 층수가 7층 초과인 파쇄물의 무게 비율이 파쇄물 전체 무게에 대하여 10 % 이하, 구체적으로 5 % 이하로 포함될 경우, 파쇄물의 화재를 방지할 수 있음을 확인하였고, 전체 배터리 파쇄물 중 층상형 구조가 7층 이상인 파쇄물이거나 100 mm 보다 큰 크기를 갖는 파쇄물이 10 % 초과로 포함될 때 화재 발생 빈도가 높아지는 것을 확인하였다.In this way, it was confirmed that when the weight ratio of shredded material having a layered structure exceeding 7 layers is 10% or less, specifically 5% or less, of the total weight of the shredded material, fire of the shredded material can be prevented, and it was confirmed that when the weight ratio of shredded material having a layered structure of 7 or more layers or shredded material having a size greater than 100 mm exceeds 10% of the total weight of the battery shredded material, the frequency of fire occurrence increases.
또한, 하기 표 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 파쇄물의 표면에서 연소 흔적의 비율에 따른 연기 발생 여부를 확인한 것이다.In addition, Table 6 below shows whether smoke was generated according to the ratio of combustion traces on the surface of the shredded material according to one embodiment of the present invention.
정상부 면적 비율
[%]Combustion area/
Top surface area ratio
[%]
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 단위 배터리 파쇄물 표면의 연소부 및 정상부를 도시한다.FIG. 5c illustrates a combustion section and a top section of a surface of a unit battery shredder according to one embodiment of the present invention.
도 5c를 참조하면, 단위 배터리 파쇄물 표면은 고온에 의한 연소 흔적이 없는 정상부위와 고온에 의해 연소 흔적이 있는 파쇄물의 표면을 확인할 수 있다. 연소부위는 고온에 의한 연소 흔적이 있는 부위로, 구체적으로 급가열부위일 수 있으며, 미연소 부분인 정상부위와 대비하여 더욱 짙은 색상을 띄는 영역을 의미한다. 상기 연소부위는 대부분 가장자리가 연소된 것으로 나타난다.Referring to Fig. 5c, the surface of the unit battery shredded material can be identified as a normal area without high-temperature combustion traces and a surface of the shredded material with high-temperature combustion traces. The combustion area is an area with high-temperature combustion traces, and may be specifically a rapidly heated area, and refers to an area with a darker color compared to the normal area, which is an unburned area. The above-mentioned combustion area appears to have mostly edges that are burned.
도 5c와 상기 표 6을 살펴보면, 상기 단위 배터리 파쇄물의 표면에 고온에 의한 연소 흔적이 거의 없거나, 표면적 내 연소 흔적이 30 % 이하인 경우, 연기 발생 유무를 평가하였을 때, 연소가 되지 않는 것을 확인하였다. 상기 표면적 내 연소 흔적이 30 % 를 초과하는 경우, 연기를 동반한 화재가 발생한 것을 확인하였다.Looking at Fig. 5c and Table 6 above, when there were almost no traces of combustion due to high temperature on the surface of the unit battery shreds or when the traces of combustion within the surface area were 30% or less, it was confirmed that no combustion occurred when evaluating the presence or absence of smoke generation. When the traces of combustion within the surface area exceeded 30%, it was confirmed that a fire accompanied by smoke occurred.
<배터리 안정화 단계: 폐배터리 soc 조건에 따른 파쇄물 온도 경향><Battery stabilization stage: Temperature trend of shredded material according to SOC condition of waste battery>
도 6a 내지 도 6c는 폐배터리의 온도 측정 과정과 SOC 조건에 따른 파쇄물 온도 경향에 대한 사진이다.Figures 6a to 6c are photographs showing the temperature measurement process of a waste battery and the temperature trend of the shredded material according to the SOC conditions.
도 6a 및 도 6b는 도 6a 및 도 6b는 배터리 파쇄 전과 파쇄 후의 온도를 측정한 것이고, 도 6c는 폐배터리의 SOC 조건에 따른 파쇄물 온도 경향이다. 도 6a를 참조하면, 폐배터리 파쇄 전의 온도를 측정하기 위해, 배터리 모듈 중앙에 약 30 mm 드릴링(Drilling)으로 구멍을 내고, TC(Thermal Couple)를 설치하여 온도를 측정하였다. 도 6b를 참조하면, 폐배터리 파쇄 후의 파쇄물의 온도를 측정하기 위해, 파쇄물 중앙에 TC(Thermal Couple)를 설치하여 측정하였다.FIG. 6a and FIG. 6b show the temperatures measured before and after battery shredding, and FIG. 6c shows the temperature trend of the shredded material according to the SOC condition of the spent battery. Referring to FIG. 6a, in order to measure the temperature before the spent battery was shredded, a hole of about 30 mm was drilled in the center of the battery module, and a TC (Thermal Couple) was installed to measure the temperature. Referring to FIG. 6b, in order to measure the temperature of the shredded material after the spent battery was shredded, a TC (Thermal Couple) was installed in the center of the shredded material to measure the temperature.
도 6c를 참조하면, 배터리의 SoC의 조건 0 % 과 30 %에서 측정된 온도 패턴을 도시한다. 상기 SoC는 'State of Charge'의 약자로, 리튬 이온 배터리의 충전 상태를 의미한다. 구체적으로, 배터리의 잔존 용량을 나타내기 위해 현재 사용할 수 있는 배터리 용량을 전체 용량으로 나누어 백분율(%)로 표현된다. 배터리 냉동파쇄 후, 파쇄물 내부 온도를 측정하기 위하여 파쇄물 중앙에 TC(Thermal Couple)를 설치하여 측정한 그래프이다. Referring to Fig. 6c, it shows the temperature pattern measured at 0% and 30% of the SoC condition of the battery. The SoC is an abbreviation for 'State of Charge' and means the state of charge of a lithium-ion battery. Specifically, in order to indicate the remaining capacity of the battery, the currently usable battery capacity is divided by the total capacity and expressed as a percentage (%). This is a graph measured by installing a TC (Thermal Couple) at the center of the shredded matter to measure the internal temperature of the shredded matter after the battery was cryopreserved.
도 7은 배터리의 SOC % 조건에 따른 파쇄물 온도 상승 경향을 나타내는 그래프이다.Figure 7 is a graph showing the temperature increase trend of the shredded material according to the SOC % condition of the battery.
도 7을 참조하면, SoC 0 %의 배터리는 냉동상태에 파쇄되어 초기온도는 약 -60 ℃에서 시작하여 최대온도 약 30 ℃로 상승하는 것을 확인하였고, SOC 30 %의 배터리는 60 ℃까지 상승하는 것을 확인하였다. 이를 통해서 안정화처리시 자체발열로 진행되는 저온안정화 처리가 되는 파쇄물의 SOC 상태를 사전에 확인하는 것이 필요하다. 구체적으로, SOC 조건에 따른 최대온도 경향은 80 % 이상의 경우, 안정화 처리 시 화재가 발생함을 확인하였다.Referring to Fig. 7, it was confirmed that the battery with
<배터리 안정화 단계><Battery stabilization stage>
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 저온 안정화, 중간 단계, 및 고온 안정화 단계의 시간에 따른 배터리 파쇄물의 온도를 나타낸 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing the temperature of battery shreds over time in low-temperature stabilization, intermediate stage, and high-temperature stabilization stages according to one embodiment of the present invention.
도 8은 저온 안정화 최대 12 시간, 중간 단계와 고온 안정화를 최대 12 시간 수행하여 최대 총 24 시간의 안정화 처리를 연속적으로 수행하였을 때, 배터리 파쇄물의 온도를 나타내는 그래프이다. 배터리 파쇄물은 저온 안정화 과정을 수행한 후, 중간 단계 및 고온 안정화 단계를 수행함으로써, 배터리의 온도가 급격하게 증가하는 것을 방지하여 안정화된 배터리를 수득할 수 있음을 확인하였다.Figure 8 is a graph showing the temperature of battery shreds when stabilization treatments were continuously performed for up to a total of 24 hours by performing low-temperature stabilization for up to 12 hours, intermediate and high-temperature stabilization for up to 12 hours. It was confirmed that by performing the low-temperature stabilization process on the battery shreds and then performing the intermediate and high-temperature stabilization steps, a rapid increase in the temperature of the battery could be prevented, thereby obtaining a stabilized battery.
도 9a는 배터리 안정화 단계를 수행하기 위한 안정화 장치의 개략도이고, 도 9b는 운송함 내부에서의 배터리 파쇄물의 자체 발열을 나타내는 그래프이다.Figure 9a is a schematic diagram of a stabilization device for performing a battery stabilization step, and Figure 9b is a graph showing self-heating of battery fragments inside a transport container.
도 9a를 참조하면, 먼저, 배터리의 냉동 파쇄가 완료된 후, 상기 파쇄물을 안정화 장치에 투입하게 된다. 이후, 저온 안정화처리는 약 10 내지 20 ℃ 이하의 온도 조건에서 최대 12 시간 이송시키면서 서서히 저온상태의 전해질을 제거하며 운송한다. Referring to Fig. 9a, first, after the cryo-crushing of the battery is completed, the crushed material is put into a stabilization device. Thereafter, the low-temperature stabilization treatment is carried out while transporting the battery for up to 12 hours under temperature conditions of about 10 to 20°C or lower, while gradually removing the low-temperature electrolyte.
도 9b는 SOC 30 % 이하 조건의 파쇄물이 담겨진 운송함의 온도 변화를 도시한다. 구체적으로, 도 9b의 주변 온도는 상기 운송함의 온도를 의미한다. 저온 안정화 단계 중, 상기 배터리 파쇄물의 운송 시 운송함 내부는 배터리 파쇄물의 자체 발열에 의해 온도가 승온하는 것을 확인할 수 있다. 이 때, 저온 안정화 단계에서 상기 배터리 파쇄물의 온도는 30 ℃ 이하가 되도록 제어되는 것이 바람직한 것을 확인할 수 있다.Fig. 9b illustrates the temperature change of the transport box containing the shredded material under the condition of
도 10은 고온 안정화 단계의 열처리를 위한 구간별 가열 온도를 제어하였을 때, 파쇄물의 온도 변화를 나타낸다.Figure 10 shows the temperature change of the crushed material when the heating temperature was controlled for each section for heat treatment in the high-temperature stabilization stage.
도 10을 참조하면, 저온 안정화 단계를 진행한 파쇄물은 고온 안정화 처리 단계를 수행한다. 고온 환원 처리 단계에서, 연속적으로 열처리를 위하여 구간별(6 구간) 가열장치의 파워(%)를 조정하여 온도를 제어함으로써, 파쇄물의 온도를 상승시키고, 이에 따라, 파쇄물 내 전해질을 제거하였다. Referring to Fig. 10, the crushed material that has undergone the low-temperature stabilization step undergoes the high-temperature stabilization treatment step. In the high-temperature reduction treatment step, the temperature is controlled by adjusting the power (%) of the heating device for each section (6 sections) for continuous heat treatment, thereby increasing the temperature of the crushed material, and thus removing the electrolyte within the crushed material.
<안정화 처리된 파쇄물의 온도 가열 패턴><Temperature heating pattern of stabilized shredded material>
도 11은 배터리 파쇄물의 고온 안정화 처리 후, 150 ℃의 열처리 온도에 따른 파쇄물 내 전해질의 무게 감소 비율(%)을 나타낸다.Figure 11 shows the weight reduction ratio (%) of the electrolyte in the shredded battery according to the heat treatment temperature of 150°C after high-temperature stabilization treatment of the shredded battery.
도 11을 참조하면, 배터리의 고온 안정화 처리 시, 파쇄물의 열처리 온도를 변경시키며 온도 조건에 따라서 전체 파쇄물에 포함된 전해질의 무게 감소 비율(%)이 온도 조건에 따라 어느정도 감소하는지 나타낸다. 구체적으로, 고온 안정화 처리가 수행된 배터리 파쇄물을 150 ℃까지 가열한 경우, 상기 배터리 파쇄물에 포함된 전해질 양 전체를 100 중량%로 하였을 때, 고온 안정화 처리 후 약 65 중량%까지 감소한 것을 확인하였다. 상기 고온 안정화 처리를 수행한 배터리 파쇄물은 1차 선별이나 건식 고온 처리와 같은 후공정에 배터리 처리 작업을 안전하게 처리할 수 있는 안정화된 리튬이온 파쇄물이다.Referring to FIG. 11, when the high-temperature stabilization treatment of the battery is performed, the heat treatment temperature of the shredded material is changed, and the weight reduction ratio (%) of the electrolyte contained in the entire shredded material is shown to some extent reduced depending on the temperature conditions. Specifically, when the battery shredded material on which the high-temperature stabilization treatment was performed was heated to 150°C, it was confirmed that when the total amount of electrolyte contained in the battery shredded material was 100 wt%, it was reduced to about 65 wt% after the high-temperature stabilization treatment. The battery shredded material on which the high-temperature stabilization treatment was performed is a stabilized lithium-ion shredded material that can safely be subjected to battery processing work in a post-process such as primary sorting or dry high-temperature treatment.
따라서, 냉동파쇄 후 안정화처리된 파쇄물의 주요 특징으로 저온에서 안정화가 수행된 파쇄물은 추가적으로 고온 안정화 처리를 수행함으로써, 안정화 처리가 완료된 배터리 파쇄물을 150 ℃에서 가열하였을 때, 가열 전과 후의 질량 변화량이 매우 낮게 나오는 것을 확인하였다. Therefore, as a major characteristic of the stabilized shredded product after cryo-fracturing, it was confirmed that the shredded product that was stabilized at low temperature was additionally stabilized at high temperature, and when the stabilized battery shredded product was heated at 150°C, the mass change before and after heating was very low.
<탭밀도 변화량><Tap density change>
도 12는 배터리 파쇄물의 탭밀도에 따른 온도 및 무게 감소량을 나타낸다.Figure 12 shows the temperature and weight reduction according to the tap density of battery shreds.
도 12를 참조하면, 저온 안정화 수행 전, 파쇄된 배터리 파쇄물의 탭밀도가 각각 250, 350, 450, 및 550 kg/m3일 때, 상기 배터리 파쇄물이 본 발명의 배터리 안정화 단계를 거쳤을 때의 무게 감소량을 나타낸다. 배터리 파쇄물의 탭밀도가 550 kg/m3 에서 250 kg/m3 으로 순차적으로 낮아질 때, 배터리 파쇄물 내 틈이 형성되어, 전해액의 휘발이 용이하고 배터리 내부의 전해질 무게(100%) 대비 무게 감소량이 증가하는 것을 확인하였다.Referring to FIG. 12, when the tap densities of the shredded battery shreds were 250, 350, 450, and 550 kg/m 3 before low-temperature stabilization, respectively, the weight reduction amount when the shredded battery shreds went through the battery stabilization step of the present invention is shown. When the tap density of the shredded battery was sequentially reduced from 550 kg/m 3 to 250 kg/m 3 , it was confirmed that a gap was formed in the shredded battery, making it easy for the electrolyte to volatilize, and the weight reduction amount compared to the weight (100%) of the electrolyte inside the battery increased.
<평가예>: 저온 안정화 및 고온 안정화 조건에 따른 데이터<Evaluation Example>: Data according to low temperature stabilization and high temperature stabilization conditions
하기 표 7은 층상형 구조의 단위 배터리 파쇄물이 7 층의 적층 구조를 갖고, 가로, 세로, 및 높이 방향 중 가장 긴 축인 장축 기준으로 상기 단위 배터리 파쇄물의 크기가 20 mm인 배터리 파쇄물을 하기 표 7에 기재된 저온 안정화 처리 및 고온 안정화 처리 단계 조건에서 수행하였을 때, 파쇄물 무게 감소량 및 탭밀도를 나타낸 것이다. Table 7 below shows the weight reduction amount and tap density of the unit battery shreds having a layered structure of seven layers and having a size of 20 mm based on the long axis, which is the longest axis among the horizontal, vertical, and height directions, when the battery shreds were subjected to low-temperature stabilization treatment and high-temperature stabilization treatment step conditions described in Table 7 below.
이때, 저온 안정화 처리 단계와 고온 안정화 처리 단계 사이에 다단의 중간 안정화 처리 단계를 수행하였고, 중간 안정화 처리 단계는 각각 30 내지 60, 60 내지 90, 및 90 내지 120 ℃의 온도 범위에서 연속적으로 열처리가 이루어지며, 앞서 언급한 고온 열처리 시간은 중간 안정화 처리 시간을 모두 포함하여 12 h 수행하였다.At this time, a multi-stage intermediate stabilization treatment step was performed between the low-temperature stabilization treatment step and the high-temperature stabilization treatment step, and the intermediate stabilization treatment steps were heat treated continuously in the temperature ranges of 30 to 60, 60 to 90, and 90 to 120 ℃, respectively, and the high-temperature heat treatment time mentioned above was performed for 12 h including the intermediate stabilization treatment time.
저온 안정화 처리 단계 및 고온 안정화 처리 단계 이후의 파쇄물 무게 감소량은 중량 측정기로 측정하였다.The weight loss of the crushed material after the low-temperature stabilization treatment step and the high-temperature stabilization treatment step was measured using a weight measuring device.
탭밀도는 약 30 kg의 상용화 배터리모듈(셀 30개 구성)을 파쇄기(Crusher) 파쇄하고 안정화 용적 케이스(가로 0.44 m × 세로 0.7 m × 높이 0.5 m)에 담아 이를 기계적으로 탭하여 얻은 겉보기 밀도를 측정하였다. 구체적으로, 배터리 무게(M, kg)에 케이스의 용적(V, m3)을 나누어 밀도(ρ= M/V)를 구한다.The tapping density was measured by mechanically tapping the apparent density obtained by crushing a commercial battery module (consisting of 30 cells) of about 30 kg in a crusher and placing it in a stabilizing volume case (0.44 m long × 0.7 m wide × 0.5 m high). Specifically, the density (ρ = M/V) is obtained by dividing the battery weight (M, kg) by the volume of the case (V, m3).
파쇄물 재가열 후 무게 감소량 비율은 고온 안정화 처리 단계를 거친 단위 배터리 파쇄물을 150 ℃로 재가열한 후 가열 전과 가열 후의 무게 감소량 비율을 확인하였다.The weight loss ratio after reheating the shredded material was confirmed by reheating the unit battery shredded material that had gone through the high-temperature stabilization treatment step to 150 ℃ and then checking the weight loss ratio before and after heating.
안정성은 배터리 파쇄 과정에서 화재가 발생한 경우, ×로 기재하고, 화재가 발생하지 않은 경우, ○로 기재하였다.Stability was indicated as × if a fire occurred during the battery crushing process, and ○ if no fire occurred.
[kg/m[kg/m
33
]]
처리 단계 조건Processing step conditions
안정화 처리 Stabilization Processing
단계 Step
이후 After that
파쇄물 무게 Weight of shredded material
감소량Amount of reduction
[%][%]
처리 단계 조건Processing step conditions
안정화 stabilization
처리 Processing
단계 Step
이후 After that
파쇄물 Shredded material
무게 weight
감소량[%]Reduction [%]
[%][%]
[℃][℃]
[h][h]
[℃][℃]
[h][h]
상기 표 7을 참조하면, 실시예의 저온 안정화 처리는 10 내지 25 ℃ 범위에서 6 내지 12 시간 동안 처리되고, 고온 안정화 처리는 130 내지 150 ℃ 범위에서 6 내지 12 시간 동안 처리되었다. 이때, 파쇄물 재가열 후 무게 감소량을 살펴보면, 1.0 % 이하인 것을 확인할 수 있고, 상기 파쇄물 재가열 후 무게 감소량이 1.0 % 이하를 만족함으로써, 전해질 감소량이 커 후공정에서의 안정성이 확보되는 것을 확인하였다.이에 반해, 저온 안정화 처리 공정을 수행하지 않거나, 40 ℃와 같이 높은 온도에서 수행되는 경우, 배터리의 화재 위험성이 있는 문제가 있고, 수득되는 배터리 파쇄물의 무게 감소량이 낮은 것을 확인하였다. 또한, 저온 안정화 처리가 충분히 수행되지 못하고 고온 안정화 처리를 수행하는 경우, 고온 처리 시 저온 휘발성 전해질이 과다하게 발생하여 화재 발생 위험성을 더욱 높이고, 기준 시간 대비 전해질 감소가 충분히 이루어지지 않는 문제가 있다.Referring to Table 7 above, the low-temperature stabilization treatment of the example was performed in the range of 10 to 25°C for 6 to 12 hours, and the high-temperature stabilization treatment was performed in the range of 130 to 150°C for 6 to 12 hours. At this time, when examining the weight loss after reheating the shredded material, it can be confirmed that it is 1.0% or less, and since the weight loss after reheating the shredded material satisfies 1.0% or less, it was confirmed that the electrolyte reduction amount is large and stability in the post-process is secured. In contrast, when the low-temperature stabilization treatment process is not performed or is performed at a high temperature such as 40°C, there is a problem that there is a risk of battery fire, and it was confirmed that the weight loss of the obtained battery shredded material is low. In addition, when the low-temperature stabilization treatment is not sufficiently performed and the high-temperature stabilization treatment is performed, there is a problem that a low-temperature volatile electrolyte is excessively generated during the high-temperature treatment, which further increases the risk of fire, and there is a problem that the electrolyte reduction is not sufficiently achieved compared to the standard time.
이상 바람직한 실시예들에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concepts defined in the following claims also fall within the scope of the present invention.
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