리튬 이온 전지는 전기 자동차, 휴대폰 및 카메라에 전원을 공급하는 것과 같은 필수적인 응용 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 광범위한 기술 분야에서 이러한 전지의 적용이 증가함에 따라, 이들 물질의 제조로부터 의 폐기물로서 생성된, 또는 사용한 리튬화된 전지로부터의 가치 있는 성분, 예를 들어 니켈 및 리튬을 비용 및 시간 효율적으로 추출할 필요성이 높아졌다.
도 1 재활용되지 않고 버려지는 리튬 배터리
바스프는 본 발명을 통해 니켈 및 리튬을 추출하는데 있어 기존의 높은 비용 및 폐기물 양을 만드는 산 침출 방법을 대체하여 효율적이고 높은 추출량을 얻을 수 있는 방식을 제공한다. 해당 방식은 일정량의 리튬 및 일정량의 니켈을 포함하는 Ni2+ /Li+ 용액을 제공하는 단계 , 상기 Ni2+ /Li+ 용액을 알칼리제로 처리하여 상기 Ni2+ /Li+ 용액의 pH를 약 1.0 내지 약 10.0으로 조절하는 단계, 해당 용액을 니켈 선택적 추출제로 처리하는 단계, 그리고 남은 Li+ 용액을 탄산화제(carbonation agent) 또는 리튬 선택적 추출제로 처리하여 리튬염을 제조하는 단계로 구성된다.
도 2는 추출(E), 세척(W) 및 스트리핑(stripping)(S)의 다양한 단계와 함께 복수의 추출 단계 및 복수의 스트리핑 단계로 구성된 니켈 추출 단계의 흐름도를 나타낸다. 먼저 니켈 및 리튬을 포함한 전지 폐기물은 탱크 1에서 공급된다. 공급된 폐기물은 혼합 침강기로 구성된 추출 단계 E1으로 공급되고, 반대 방향으로 직렬로 이동하는 니켈 선택적 추출제와 조합된다. 따라서, 상기 폐기물은 먼저 단계 E1에서 상기 니켈 선택적 추출제와 접촉하고 E1에서 E5로 이동하며, Ni 선택적 추출제는 E5에서 추출 단계로 먼저 진입한 후, E5에서 E1로 이동한다. 단계 E1에서의 반응 후, 반대 방향으로 이동하는 유기상에서 Ni가 계속적으로 고갈되고 농축되도록, Ni-고갈된 수성상은 E2로 이동한 후 E3, E4 및 E5로 이동한다. 이어서, Ni 풍부 유기상은 세척 단계(W)에서 스크러빙(scrub)되고 스트리핑 단계 S2 및 S1로 이동되고 산을 포함하는 스트리핑 용액에 적용되어 Ni 선택적 추출제로부터 Ni를 떼어내 Ni 염을 제조하는데 이용된다. 추출 단계의 결과로서 수득된 니켈 부족 물질(Li+ 용액)은 Li의 후속 회수를 위한 보유 탱크(holding tank)(탱크 2)로 이동되거나, 또는 Li 추출 공정으로 직접 이동된다.
도 2 니켈 추출 흐름도
리튬 추출 공정에서 탄산화제를 이용하는 개략도는 도 3과 같다. 탄산화제를 이용할 경우 리튬 이온은 탄산리튬의 형태로 직접 침전하게 된다. 이 때, 탄산화제는 이산화탄소와 암모니아, 이산화탄소, 탄산나트륨, 탄산암모늄 또는 이들의 조합으로 구성된다. 침전된 여과 및 세척되어 깨끗한 탄산리튬의 형태로 리튬화된 양극 전기화학적 활물질의 제조에 사용된다. 나머지 상청액은 나노여과를 거쳐, 이전 Ni 스트리핑 단계로부터 남은 잔류 황산염을 분리하고, Ni 분리 공정에서의 후속 스트리핑에서 계속적으로 사용될 수 있는 정제수로 회수된다.
도 3 탄산화제를 이용한 리튬 추출 개략도
리튬 선택적 추출제를 사용하는 추출공정은 도 4와 같다. 이 경우 리튬 추출 공정에 도입 전에 이온 교환을 거치며, 리튬 선택적 추출제 및 추출제의 적절한 활성을 위해 pH를 조절하는 알칼리제가 투입되어 유기상의 형태로 리튬을 추출한다. 추출된 리튬 용액은 니켈과 마찬가지로 세척 및 스트리핑 단계를 거쳐 리튬염으로 재회수된다.
도 4 리튬 선택적 추출제를 이용한 리튬 추출 개략도
발전하는 이차전지 산업에 더불어 배터리 재활용 기술 또한 주목받는 기술 중 하나이다. 특히 한국의 경우에는 해당 기술의 중요성이 대두되는 이유로 이차전지의 소재 부품의 비용은 전체 70%를 차지하는 반면 원재료의 대부분은 해외로부터 수입하는 것이라는 점이 있다. 따라서 해당 발명과 같은 배터리 재활용 기술 또한 한국에서 활발하게 발전될 것으로 기대된다.
특허법인ECM
변리사 김시우
swkim@ecmpatent.com
02-568-2670
리튬 이온 전지는 전기 자동차, 휴대폰 및 카메라에 전원을 공급하는 것과 같은 필수적인 응용 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 광범위한 기술 분야에서 이러한 전지의 적용이 증가함에 따라, 이들 물질의 제조로부터 의 폐기물로서 생성된, 또는 사용한 리튬화된 전지로부터의 가치 있는 성분, 예를 들어 니켈 및 리튬을 비용 및 시간 효율적으로 추출할 필요성이 높아졌다.
도 1 재활용되지 않고 버려지는 리튬 배터리
바스프는 본 발명을 통해 니켈 및 리튬을 추출하는데 있어 기존의 높은 비용 및 폐기물 양을 만드는 산 침출 방법을 대체하여 효율적이고 높은 추출량을 얻을 수 있는 방식을 제공한다. 해당 방식은 일정량의 리튬 및 일정량의 니켈을 포함하는 Ni2+ /Li+ 용액을 제공하는 단계 , 상기 Ni2+ /Li+ 용액을 알칼리제로 처리하여 상기 Ni2+ /Li+ 용액의 pH를 약 1.0 내지 약 10.0으로 조절하는 단계, 해당 용액을 니켈 선택적 추출제로 처리하는 단계, 그리고 남은 Li+ 용액을 탄산화제(carbonation agent) 또는 리튬 선택적 추출제로 처리하여 리튬염을 제조하는 단계로 구성된다.
도 2는 추출(E), 세척(W) 및 스트리핑(stripping)(S)의 다양한 단계와 함께 복수의 추출 단계 및 복수의 스트리핑 단계로 구성된 니켈 추출 단계의 흐름도를 나타낸다. 먼저 니켈 및 리튬을 포함한 전지 폐기물은 탱크 1에서 공급된다. 공급된 폐기물은 혼합 침강기로 구성된 추출 단계 E1으로 공급되고, 반대 방향으로 직렬로 이동하는 니켈 선택적 추출제와 조합된다. 따라서, 상기 폐기물은 먼저 단계 E1에서 상기 니켈 선택적 추출제와 접촉하고 E1에서 E5로 이동하며, Ni 선택적 추출제는 E5에서 추출 단계로 먼저 진입한 후, E5에서 E1로 이동한다. 단계 E1에서의 반응 후, 반대 방향으로 이동하는 유기상에서 Ni가 계속적으로 고갈되고 농축되도록, Ni-고갈된 수성상은 E2로 이동한 후 E3, E4 및 E5로 이동한다. 이어서, Ni 풍부 유기상은 세척 단계(W)에서 스크러빙(scrub)되고 스트리핑 단계 S2 및 S1로 이동되고 산을 포함하는 스트리핑 용액에 적용되어 Ni 선택적 추출제로부터 Ni를 떼어내 Ni 염을 제조하는데 이용된다. 추출 단계의 결과로서 수득된 니켈 부족 물질(Li+ 용액)은 Li의 후속 회수를 위한 보유 탱크(holding tank)(탱크 2)로 이동되거나, 또는 Li 추출 공정으로 직접 이동된다.
도 2 니켈 추출 흐름도
리튬 추출 공정에서 탄산화제를 이용하는 개략도는 도 3과 같다. 탄산화제를 이용할 경우 리튬 이온은 탄산리튬의 형태로 직접 침전하게 된다. 이 때, 탄산화제는 이산화탄소와 암모니아, 이산화탄소, 탄산나트륨, 탄산암모늄 또는 이들의 조합으로 구성된다. 침전된 여과 및 세척되어 깨끗한 탄산리튬의 형태로 리튬화된 양극 전기화학적 활물질의 제조에 사용된다. 나머지 상청액은 나노여과를 거쳐, 이전 Ni 스트리핑 단계로부터 남은 잔류 황산염을 분리하고, Ni 분리 공정에서의 후속 스트리핑에서 계속적으로 사용될 수 있는 정제수로 회수된다.
도 3 탄산화제를 이용한 리튬 추출 개략도
리튬 선택적 추출제를 사용하는 추출공정은 도 4와 같다. 이 경우 리튬 추출 공정에 도입 전에 이온 교환을 거치며, 리튬 선택적 추출제 및 추출제의 적절한 활성을 위해 pH를 조절하는 알칼리제가 투입되어 유기상의 형태로 리튬을 추출한다. 추출된 리튬 용액은 니켈과 마찬가지로 세척 및 스트리핑 단계를 거쳐 리튬염으로 재회수된다.
도 4 리튬 선택적 추출제를 이용한 리튬 추출 개략도
발전하는 이차전지 산업에 더불어 배터리 재활용 기술 또한 주목받는 기술 중 하나이다. 특히 한국의 경우에는 해당 기술의 중요성이 대두되는 이유로 이차전지의 소재 부품의 비용은 전체 70%를 차지하는 반면 원재료의 대부분은 해외로부터 수입하는 것이라는 점이 있다. 따라서 해당 발명과 같은 배터리 재활용 기술 또한 한국에서 활발하게 발전될 것으로 기대된다.
특허법인ECM
변리사 김시우
swkim@ecmpatent.com
02-568-2670