1. 재활용 표준의 부재
- 현재 사용이 끝난 LIB의 재활용 또는 재사용을 위한 통일된 표준이 없다.
- 재활용 과정은 복잡하며, 일반적인 과정 흐름은 분류, 방전, 분해, 분리의 단계를 포함한다.
- 이러한 과정은 양극 활성 물질을 얻기 위한 다양한 방법으로 진행된다.
2. 배터리 분류의 중요성
- 재활용 과정에서의 배터리 분류: 사용된 리튬 이온 배터리(LIB)의 재활용에서 배터리의 전반적인 상태를 분류하고 분석하는 것이 매우 중요하다.
- 화학 조성에 따른 분류: 많은 재활용 회사들은 배터리를 화학 조성이나 양극 재료 유형(LFP, NCM 등)에 따라 분류하여 습식 금속 공정의 성능을 최적화한다.
- 전기화학적 매개변수의 이해: 이 과정은 배터리의 작동 원리를 이해하고 배터리 화학 반응에 필요한 전기화학적 매개변수를 결정하는 것에서 시작된다.
- 내부 전기화학적 매개변수의 추정: 배터리의 내부 전기화학적 매개변수를 얻는 것은 종종 도전적이며, 배터리를 손상시킬 수 있다. 따라서 배터리의 화학적 특성은 크기, 무게, 전압과 같은 특성에 의존하여 추정된다.
2-1. 배터리 방전 과정
- 방전의 필요성: 분해 및 분쇄 전에 사용된 LIB는 여전히 일부 전하를 가지고 있어, 분해 및 분쇄 과정에서 위험을 초래할 수 있다.
- 단락 회로의 위험: 방전되지 않은 배터리를 분해하고 분쇄할 경우, 양극과 음극 간의 접촉으로 인해 단락 회로가 발생할 수 있으며, 이는 내부 온도의 급격한 증가를 초래할 수 있다.
- 방전 원리: 리튬 이온 배터리의 방전 원리는 양극과 음극 간에 연결된 저항을 통해 배터리 전력을 소모하는 것이다.
- 물리적 방전 방법: 전도성 분말 입자를 사용하여 방전하는 방법으로, 일반적으로 흑연 및 금속 칩이나 분말을 사용한다.
- 화학적 방전 방법: 현재 사용되는 주류 방전 방법으로, 전도성 용액을 사용하여 배터리를 방전한다.
- 안전성 문제: 방전 과정에서 배터리가 손상될 경우 용액이 오염될 수 있으며, 방전 성능에 영향을 미칠 수 있다.
2-2. 배터리 분해 방법
- 분해의 중요성: 사용된 LIB의 처리 과정에서 분해는 핵심 단계이며, 현재 두 가지 주요 방법이 있다.
- 수동 분해: 전문 기술자가 다양한 도구와 장비를 사용하여 배터리를 점진적으로 분해하는 방법이다.
- 장점: 높은 유연성과 강한 제어 가능성을 제공한다.
- 단점: 높은 노동 강도와 잠재적인 안전 위험이 있다.
- 로봇 분해: 자동화된 장비와 로봇 기술을 사용하여 프로그램 제어 도구로 배터리를 분해하는 방법이다.
- 장점: 높은 효율성과 속도, 향상된 안전성을 제공한다.
- 단점: 다양한 디자인과 배치의 리튬 이온 배터리를 높은 성공률로 처리할 수 없다.
- 수동 분해: 전문 기술자가 다양한 도구와 장비를 사용하여 배터리를 점진적으로 분해하는 방법이다.
2-3. 배터리 분쇄 과정
- 분쇄의 목적: 배터리 팩의 기계적 분해를 통해 귀중한 금속을 포함한 배터리 재료를 얻는 과정이다.
- 분쇄 절차: 다양한 분쇄 절차는 서로 다른 크기와 형태의 조각을 생성하며, 이는 이후 분리 과정에 큰 영향을 미친다.
- 다단계 분쇄: 여러 단계의 분쇄를 수행하여 생성된 배터리 조각의 크기 분포와 내용물 분포를 균일하게 유지한다.
- 산업적 분쇄 방법: 일반적으로 건식 분쇄가 사용되며, 이는 배터리를 배치 분쇄 전에 분류하여 입자 일관성을 유지하고 분리 효율성을 향상시킨다.
2-4. 분리 과정 및 기술
- 부품 분리의 필요성: 사용된 LIB는 활성 양극 분말을 회수하기 위해 부품 분리가 필요하다.
- 수동 분해 및 기계적 분리: 현대 재활용 시설은 기계적 분리를 통해 금속 부품을 분리하여 처리 용량을 향상시킨다.
- 고급 분리 기술: 양극 활성 물질을 알루미늄 호일에서 분리하고 유기 바인더를 제거하는 일반적인 방법으로는 기계적 분리, 용매 용해, 고온 분리가 있다.
- 재활용 공정의 다양성: 배터리에서 귀중한 금속을 추출하기 위해 다양한 재활용 공정을 사용할 수 있다.
3. 재활용 공정의 중요성
- 귀중한 금속 회수: 사용된 LIB의 일련의 전처리 과정 후, 배터리에서 귀중한 금속을 회수하기 위한 다양한 재활용 공정이 필요하다.
- 상업적 가치: NCM, LCO, LMO, NCA 리튬 이온 배터리는 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄과 같은 금속을 포함하고 있으며, 이들 금속은 높은 상업적 가치를 지닌다.
- 화학 반응의 단순화: 연구자들은 NCM 3원계 양극 재료의 재활용 화학 반응을 단순화하였다.
- LFP 배터리의 차별성: LFP 배터리는 LiFeO4를 주요 성분으로 하며, 니켈과 코발트와 같은 고가치 금속을 포함하지 않는다.
출처 : Molecules 2024, 29, 3161.
