배터리 재활용 리뷰 2 : 파이로메탈러지컬(고온용융) 프로세스

파이로메탈러지컬 프로세스 개요

• 리튬 이온 배터리(LIB)의 재활용: 최근 몇 년 동안 사용된 파이로메탈러지컬 프로세스는 소비된 리튬 이온 배터리의 재활용을 위한 방법이다.
• 주요 배터리 유형: 이 프로세스는 니켈-코발트-망간 배터리와 LFP 배터리에 대한 상세한 논의를 제공한다.
• 파이로메탈러지의 정의: 파이로메탈러지는 고온 처리와 열 분해를 포함하여 배터리의 유기 물질과 폴리머를 태워내고, 귀중한 금속 원소를 추출하는 일반적인 재활용 방법이다.
• 장점: 이 방법은 높은 처리 효율과 금속 회수율의 장점이 있으며, 다양한 유형의 소비된 LIB의 대규모 생산 및 처리에 적합하다.

Umicore battery recycling flow sheet

1. 파이로메탈러지의 장점

• 재활용 방법: 파이로메탈러지는 소비된 LIB를 재활용하는 일반적인 방법으로, 고온 처리를 통해 유기 물질을 제거한다.
• 효율성: 이 방법은 높은 처리 효율과 금속 회수율을 제공하여, 자원의 최대 활용을 가능하게 한다.
• 대규모 처리: 다양한 화학 조성을 가진 소비된 LIB를 광범위한 전처리 없이 회수할 수 있는 장점이 있다.
• 적용 가능성: 모듈과 셀을 직접 용광로에 투입하여 반응을 진행할 수 있다.

2. 고온 용융의 기본 원리

• 고온 용융의 핵심: 고온 용융의 핵심은 소비된 LIB에서 유기 물질을 제거하는 것이다.
• 금속 성분의 처리: 내부 금속 성분인 양극과 음극은 고온에서 가열되어 녹는다.
• 금속의 용해: 금속의 서로 다른 용융점으로 인해 금속들이 용광로에서 용해되고 혼합되어 Ni, Co, Mn, Cu 합금 형태로 회수된다.
• 안전성: 이 과정에서 전해질의 증발을 촉진하고, 과압 폭발을 방지하기 위한 열 처리가 중요하다.

3. 고온 용융의 두 가지 주요 과정

1. 저온에서의 열 처리:
   • 전해질의 증발을 촉진하고, 과압 폭발을 방지하기 위한 과정이다.
   • 이 단계는 갑작스러운 전해질 증발을 방지하여 배터리의 내부 구조를 보호한다.
2. 고온에서의 추가 가열:
   • 재료를 더 높은 온도로 가열하여 용융 상태를 달성하는 과정이다.
   • 이 방법은 다양한 화학 조성을 가진 소비된 LIB를 회수할 수 있도록 한다.

4. 슬래그 시스템의 중요성

• 슬래그 시스템의 역할: 잘 설계된 슬래그 시스템은 고온 용융 방법에서 중요한 역할을 한다.
• 금속과 비금속 분리: 효과적으로 설계된 슬래그 시스템은 금속과 비금속 부분을 효율적으로 분리하여 금속 회수의 효율성을 높인다.
• 자원 활용 극대화: 이 시스템은 소비된 LIB에서 자원의 최대 활용을 가능하게 하고, 폐기물 발생을 줄인다.
• 환원제의 역할: 소비된 LIB의 탄소와 알루미늄은 환원제로 작용하여, 금속 회수 과정에서 중요한 역할을 한다.                                       LiMO2 + C + Al → Li2O +M+ CO + Al2O3

5. 금속 회수 및 리튬 추출

• 전이 금속의 농축: 현재 연구에 따르면, 소비된 LIB의 용융 과정 후 전이 금속이 농축되어 용융 합금 상태를 형성한다.
• 용광로의 바닥: 이 합금은 용광로의 바닥에 가라앉아 용융 금속 풀로 들어간다.
• 수소 금속 공법: 이후 귀중한 금속은 수소 금속 공법을 사용하여 추가 회수된다.
• 리튬의 존재 형태: 리튬은 플루 가스 덕트에서 먼지 형태로 존재하며, 이를 추출하기 위해 물 침출이 필요하다.

6. 리튬 이온 추출 방법

• 리튬 이온 추출 과정: 리튬 이온을 추출하기 위해 물 침출이 일반적으로 필요하다.
• 전환 과정: 이후 리튬 이온은 리튬 탄산염 또는 리튬 인산염 침전물로 전환된다.
• 추출의 중요성: 리튬의 회수는 배터리 재활용 과정에서 중요한 단계로, 자원의 효율적인 활용을 가능하게 한다.
• 환경적 고려: 리튬 추출 과정은 환경적 지속 가능성을 고려해야 하며, 재활용의 중요성을 강조한다.

출처 : Molecules 2024, 29, 3161.