간단한 공정으로 배터리에서 최대 76%의 리튬 회수
- 기술 / 문광주 기자 / 2023-04-21 20:43:39
3'20" 읽기
- 공격적인 화학 물질 대신 이 기계 화학 재활용은 분쇄, 물, 알루미늄 및 열만 사용
- 이 공정이 배터리를 분류하거나 분해할 필요 없어
- 배터리에 사용되는 모든 리튬 화합물에 적합
리튬 이온 배터리는 우리의 일상 생활에 스며들고 있습니다. 리튬 이온 배터리는 노트북, 스마트폰, 장난감, 원격 제어 및 기타 소형 장치에 무선 전력을 공급할 뿐만 아니라 전기 이동성을 위한 가장 중요한 에너지 저장 장치 역할을 한다. 그러나 배터리의 원료는 부족하다. 특히 필수 불가결한 리튬은 전 세계적으로 수요가 많으며 점점 가치가 높아지고 있다. 독일에도 리튬 매장지가 있지만 착취 가치가 있는지 여부는 여전히 파일럿 프로젝트에서 테스트 중이다.
새로운 방식의 리튬 재활용
더 나은 해결책은 리튬 이온 배터리에서 가능한 한 많은 리튬을 회수하는 것이다. 지금까지 주로 니켈과 코발트, 구리와 알루미늄, 철강이 배터리 폐기물에서 회수되어 재활용되었다. 그러나 리튬 회수는 매우 복잡하고 비용이 많이 들며 수익성이 높지 않다. 대부분 야금 공정은 많은 에너지를 소비하며 유해한 부산물을 남기는 경우가 많다.
사용한 배터리에서 기계화학적으로 리튬을 회수하는 재활용 방법이 이제 도움이 될 수 있다. "이 공정은 화학 조성이 다른 음극 재료에서 리튬을 회수하는 데 적합하므로 상업적으로 이용 가능한 다양한 리튬 이온 배터리에 적합하다"고 Karlsruhe Institute of Technology의 수석 저자인 Oleksandr Dolotko는 설명했다. "비용 효율적이고 에너지 효율적이며 환경친화적인 재활용이 가능하다.“
분쇄, 용해 및 가열
재활용은 볼 밀에서 배터리를 분쇄하는 것부터 시작된다. 배터리의 리튬 화합물은 음극에 포함된 알루미늄과 더 많이 접촉하게 된다. Dolotko와 그의 팀은 "음극에서 수집기로 사용되는 이 물질은 환원제 역할을 한다"고 설명했다. 알루미늄은 리튬코발트산화물(LiCoO2), 리튬 망간산화물(LiMn2O4), 리튬철인산화물(LiFePO4) 및 코발트, 망간 및 니켈을 포함하는 리튬 산화물(Li(CoNiMn)O2)을 포함해 배터리 음극의 일반적인 리튬 화합물, 줄여서 NMC와 반응한다.
약 3시간의 분쇄 후 결과는 금속 성분과 산화 리튬 및 산화알루미늄의 혼합물이다. 철이나 코발트와 같은 자성 금속은 이제 자석을 사용하여 제거할 수 있다. 다음으로, 혼합물을 물에 용해하고, 여과하고, 증발에 의해 재결정화한다. 이를 통해 원료로 원하는 탄산리튬과 리튬알루미늄수산화수화물(LACHH)이 생성된다.
최종 세척 단계에서 이 결정화된 분말은 약 350도까지 가열된다. 이로 인해 LACCH가 반응하여 탄산리튬과 탄산알루미늄을 형성한다. 물에 재용해되면 탄산리튬만 용해되고 탄산알루미늄은 고체로 남아 여과될 수 있다.
분류나 분해가 필요 없음
이러한 단계 후에 남은 것은 새로운 리튬 이온 배터리 생산을 위한 출발 물질 역할을 하는 물질인 순수한 탄산리튬이다. 테스트 결과 이 기계화학적 프로세스는 배터리에 포함된 리튬의 55~76%를 회수할 수 있는 것으로 나타났다. 이전 방법과 달리 산이나 기타 부식성 화학 물질이 필요하지 않으며 극도로 높은 온도도 필요하지 않다. 이것은 프로세스를 환경친화적이고 에너지 효율적으로 만든다.
또 다른 이점:
"이 방법은 현재 음극에 사용되는 모든 리튬 화합물과 그 혼합물에 사용할 수 있기 때문에 거의 보편적으로 사용할 수 있다"고 Dolotko와 그의 동료는 보고했다. 사용한 배터리는 재활용하기 전에 분류하거나 분해할 필요조차 없다. 완전히 분쇄할 수도 있다. "혼합물에 많은 비 반응성 구성 요소가 있으면 더 긴 분쇄가 필요하다"고 팀은 말했다. 경우에 따라 약간의 알루미늄 호일만 추가하면 된다.
산업 규모로 사용 가능
과학자들에 따르면, 이 공정은 미래에 이전보다 훨씬 더 쉽고 저렴하게 리튬 이온 배터리를 재활용할 수 있는 가능성을 열어준다. 복잡하지 않은 몇 가지 단계만 필요하기 때문에 이 방법은 산업 규모에서 사용하기에 적합하다. 이것은 미래에 전기 자동차 배터리와 수많은 다른 장치의 배터리에서 귀중한 리튬을 효율적이고 환경친화적으로 회수하는 데 도움이 될 수 있다.
(nature communications, 2023; doi: 10.1038/s42004-023-00844-2)
출처: Karlsruher Institut für Technologie / 칼스루에 공과대학교
- 공격적인 화학 물질 대신 이 기계 화학 재활용은 분쇄, 물, 알루미늄 및 열만 사용
- 이 공정이 배터리를 분류하거나 분해할 필요 없어
- 배터리에 사용되는 모든 리튬 화합물에 적합
오래된 배터리의 리튬
놀랍도록 간단한 공정으로 배터리에서 최대 76%의 리튬을 회수한다.
전자 폐기물의 원료:
새로운 공정 덕분에 사용한 리튬 이온 배터리에서 리튬을 회수하는 것이 더 쉽고 저렴하며 환경친화적이 되고 있다. 공격적인 화학 물질 대신 이 기계 화학 재활용은 분쇄, 물, 알루미늄 및 열만 사용한다. 테스트에서 최대 76%의 리튬이 회수되었다. 또 다른 이점은 이 공정이 배터리를 분류하거나 분해할 필요가 없으며 배터리에 사용되는 모든 리튬 화합물에 적합하다는 것이다.
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| ▲ 리튬 이온 배터리에는 귀중한 리튬 화합물이 포함돼 있다. 새로운 기계화학적 공정의 도움으로 탄산리튬으로 회수할 수 있으며, 충전식 배터리의 새로운 원료가 된다. © Amadeus Bramsiepe/ KI |
리튬 이온 배터리는 우리의 일상 생활에 스며들고 있습니다. 리튬 이온 배터리는 노트북, 스마트폰, 장난감, 원격 제어 및 기타 소형 장치에 무선 전력을 공급할 뿐만 아니라 전기 이동성을 위한 가장 중요한 에너지 저장 장치 역할을 한다. 그러나 배터리의 원료는 부족하다. 특히 필수 불가결한 리튬은 전 세계적으로 수요가 많으며 점점 가치가 높아지고 있다. 독일에도 리튬 매장지가 있지만 착취 가치가 있는지 여부는 여전히 파일럿 프로젝트에서 테스트 중이다.
새로운 방식의 리튬 재활용
더 나은 해결책은 리튬 이온 배터리에서 가능한 한 많은 리튬을 회수하는 것이다. 지금까지 주로 니켈과 코발트, 구리와 알루미늄, 철강이 배터리 폐기물에서 회수되어 재활용되었다. 그러나 리튬 회수는 매우 복잡하고 비용이 많이 들며 수익성이 높지 않다. 대부분 야금 공정은 많은 에너지를 소비하며 유해한 부산물을 남기는 경우가 많다.
사용한 배터리에서 기계화학적으로 리튬을 회수하는 재활용 방법이 이제 도움이 될 수 있다. "이 공정은 화학 조성이 다른 음극 재료에서 리튬을 회수하는 데 적합하므로 상업적으로 이용 가능한 다양한 리튬 이온 배터리에 적합하다"고 Karlsruhe Institute of Technology의 수석 저자인 Oleksandr Dolotko는 설명했다. "비용 효율적이고 에너지 효율적이며 환경친화적인 재활용이 가능하다.“
분쇄, 용해 및 가열
재활용은 볼 밀에서 배터리를 분쇄하는 것부터 시작된다. 배터리의 리튬 화합물은 음극에 포함된 알루미늄과 더 많이 접촉하게 된다. Dolotko와 그의 팀은 "음극에서 수집기로 사용되는 이 물질은 환원제 역할을 한다"고 설명했다. 알루미늄은 리튬코발트산화물(LiCoO2), 리튬 망간산화물(LiMn2O4), 리튬철인산화물(LiFePO4) 및 코발트, 망간 및 니켈을 포함하는 리튬 산화물(Li(CoNiMn)O2)을 포함해 배터리 음극의 일반적인 리튬 화합물, 줄여서 NMC와 반응한다.
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| ▲ 다양한 양극재에 대한 리튬 재활용 능력 비교. (관련논문 Universal and efficient extraction of lithium for lithium-ion battery recycling using mechanochemistry / communications chemistry) |
약 3시간의 분쇄 후 결과는 금속 성분과 산화 리튬 및 산화알루미늄의 혼합물이다. 철이나 코발트와 같은 자성 금속은 이제 자석을 사용하여 제거할 수 있다. 다음으로, 혼합물을 물에 용해하고, 여과하고, 증발에 의해 재결정화한다. 이를 통해 원료로 원하는 탄산리튬과 리튬알루미늄수산화수화물(LACHH)이 생성된다.
최종 세척 단계에서 이 결정화된 분말은 약 350도까지 가열된다. 이로 인해 LACCH가 반응하여 탄산리튬과 탄산알루미늄을 형성한다. 물에 재용해되면 탄산리튬만 용해되고 탄산알루미늄은 고체로 남아 여과될 수 있다.
분류나 분해가 필요 없음
이러한 단계 후에 남은 것은 새로운 리튬 이온 배터리 생산을 위한 출발 물질 역할을 하는 물질인 순수한 탄산리튬이다. 테스트 결과 이 기계화학적 프로세스는 배터리에 포함된 리튬의 55~76%를 회수할 수 있는 것으로 나타났다. 이전 방법과 달리 산이나 기타 부식성 화학 물질이 필요하지 않으며 극도로 높은 온도도 필요하지 않다. 이것은 프로세스를 환경친화적이고 에너지 효율적으로 만든다.
또 다른 이점:
"이 방법은 현재 음극에 사용되는 모든 리튬 화합물과 그 혼합물에 사용할 수 있기 때문에 거의 보편적으로 사용할 수 있다"고 Dolotko와 그의 동료는 보고했다. 사용한 배터리는 재활용하기 전에 분류하거나 분해할 필요조차 없다. 완전히 분쇄할 수도 있다. "혼합물에 많은 비 반응성 구성 요소가 있으면 더 긴 분쇄가 필요하다"고 팀은 말했다. 경우에 따라 약간의 알루미늄 호일만 추가하면 된다.
산업 규모로 사용 가능
과학자들에 따르면, 이 공정은 미래에 이전보다 훨씬 더 쉽고 저렴하게 리튬 이온 배터리를 재활용할 수 있는 가능성을 열어준다. 복잡하지 않은 몇 가지 단계만 필요하기 때문에 이 방법은 산업 규모에서 사용하기에 적합하다. 이것은 미래에 전기 자동차 배터리와 수많은 다른 장치의 배터리에서 귀중한 리튬을 효율적이고 환경친화적으로 회수하는 데 도움이 될 수 있다.
(nature communications, 2023; doi: 10.1038/s42004-023-00844-2)
출처: Karlsruher Institut für Technologie / 칼스루에 공과대학교
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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