전기자동차, 모바일 IT기기 등의 수요가 증가함에 따라 리튬이온전지의 생산 및 소비가 증가하여, 폐리튬이온전지의 재활용은 환경적, 경제적 관점에서 반드시 요구된다. 본 연구에서는 하이브리드 자동차용 폐리튬이온전지로부터 파/분쇄된 양극활물질을 대상으로 암모니아 침출제 (NH3, (NH4)2CO3, (NH4)2SO3)를 이용해 양극활물질 내의 유용금속 (Ni, ...
전기자동차, 모바일 IT기기 등의 수요가 증가함에 따라 리튬이온전지의 생산 및 소비가 증가하여, 폐리튬이온전지의 재활용은 환경적, 경제적 관점에서 반드시 요구된다. 본 연구에서는 하이브리드 자동차용 폐리튬이온전지로부터 파/분쇄된 양극활물질을 대상으로 암모니아 침출제 (NH3, (NH4)2CO3, (NH4)2SO3)를 이용해 양극활물질 내의 유용금속 (Ni, Mn, Co, Al, Cu)의 침출거동을 조사하였다. 환원제 ((NH4)2SO3)는 Ni과 Co의 암모니아침출에서 침출속도를 증가시키기 위해 필수적이며, pH 완충제 ((NH4)2CO3)는 침출하는 동안 침출용액의 pH변화를 최소화하기 위해 필요하다. Co와 Cu는 대부분 침출된 반면, Mn과 Al은 거의 침출이 되지 않았으며, Ni은 30% 정도의 침출률을 확인하였다. 특히, Co 회수의 경우 Co 침전을 위하여 추가되는 염기성 용액의 양을 줄일 수 있고, 침출액 내의 Mn과 Al의 분리단계를 줄일 수 있기에 산침출보다 경제적으로 이점이 있다고 여겨진다. 침출용액으로부터 직접 양극활물질을 재합성하는 방법을 검토하기 위해 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2을 수산화공침법을 이용해 합성최적화 (pH, 반응분위기)를 수행하고, 침출용액에서 과량의 리튬이온의 영향에 대해 알아보았다. 전구체와 양극활물질은 pH가 감소함에 따라 입자크기가 증가하는 경향을 나타냈다. pH 10.50의 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 양극활물질은 좁은 입자크기분포도, 높은 결정성, 좋은 수명특성을 보였다. 공기분위기와 비교하였을 때 N2 분위기의 양극활물질은 균일한 입자크기분포도, 고온과 저온에서 좋은 수명특성, 낮은 전하이동저항을 나타내었다. 과량의 리튬이온이 포함된 침출모사용액에서 제조된 전구체는 충분한 세척 후에 리튬이 거의 제거됨을 확인하였으며, 이 전구체는 리튬이온이 포함되지 않은 용액으로부터 제조된 전구체와 비슷한 구형의 입자와 입자크기를 갖고 있다.
전기자동차, 모바일 IT기기 등의 수요가 증가함에 따라 리튬이온전지의 생산 및 소비가 증가하여, 폐리튬이온전지의 재활용은 환경적, 경제적 관점에서 반드시 요구된다. 본 연구에서는 하이브리드 자동차용 폐리튬이온전지로부터 파/분쇄된 양극활물질을 대상으로 암모니아 침출제 (NH3, (NH4)2CO3, (NH4)2SO3)를 이용해 양극활물질 내의 유용금속 (Ni, Mn, Co, Al, Cu)의 침출거동을 조사하였다. 환원제 ((NH4)2SO3)는 Ni과 Co의 암모니아침출에서 침출속도를 증가시키기 위해 필수적이며, pH 완충제 ((NH4)2CO3)는 침출하는 동안 침출용액의 pH변화를 최소화하기 위해 필요하다. Co와 Cu는 대부분 침출된 반면, Mn과 Al은 거의 침출이 되지 않았으며, Ni은 30% 정도의 침출률을 확인하였다. 특히, Co 회수의 경우 Co 침전을 위하여 추가되는 염기성 용액의 양을 줄일 수 있고, 침출액 내의 Mn과 Al의 분리단계를 줄일 수 있기에 산침출보다 경제적으로 이점이 있다고 여겨진다. 침출용액으로부터 직접 양극활물질을 재합성하는 방법을 검토하기 위해 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2을 수산화공침법을 이용해 합성최적화 (pH, 반응분위기)를 수행하고, 침출용액에서 과량의 리튬이온의 영향에 대해 알아보았다. 전구체와 양극활물질은 pH가 감소함에 따라 입자크기가 증가하는 경향을 나타냈다. pH 10.50의 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 양극활물질은 좁은 입자크기분포도, 높은 결정성, 좋은 수명특성을 보였다. 공기분위기와 비교하였을 때 N2 분위기의 양극활물질은 균일한 입자크기분포도, 고온과 저온에서 좋은 수명특성, 낮은 전하이동저항을 나타내었다. 과량의 리튬이온이 포함된 침출모사용액에서 제조된 전구체는 충분한 세척 후에 리튬이 거의 제거됨을 확인하였으며, 이 전구체는 리튬이온이 포함되지 않은 용액으로부터 제조된 전구체와 비슷한 구형의 입자와 입자크기를 갖고 있다.
As the production and consumption of lithium ion batteries (LIBs) increase, the recycling of spent LIBs appears inevitable from an environmental, economic and health viewpoint. The leaching behavior of valuable metals such as Ni, Mn, Co, Al and Cu is investigated with ammoniacal leaching agents (amm...
As the production and consumption of lithium ion batteries (LIBs) increase, the recycling of spent LIBs appears inevitable from an environmental, economic and health viewpoint. The leaching behavior of valuable metals such as Ni, Mn, Co, Al and Cu is investigated with ammoniacal leaching agents (ammonia, ammonium carbonate, and ammonium sulfite) for spent cathode active materials, which are separated from a commercial LIB pack in hybrid electric vehicles. Ammonium sulfite as a reductant is necessary to enhance leaching kinetics particularly in the ammoniacal leaching of Ni and Co. Ammonium carbonate can act a pH buffer so that the pH of leaching solution changes little during leaching. Co and Cu can be fully leached out whereas Mn and Al are hardly leached and Ni shows a moderate leaching efficiency. It is confirmed that the cathode active materials are a composite of LiMn2O4, LiCoxMnyNizO2, Al2O3 and C while the leach residue is composed of LiNixMnyCozO2, LiMn2O4, Al2O3, MnCO3 and Mn oxides. Co recovery via the ammoniacal leaching is believed to gain a competitive edge on conventional acid leaching both by reducing the sodium hydroxide expense for increasing the pH of leaching solution and by removing the separation steps of Mn and Al. Further, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode active materials are synthesized by using hydroxide co-precipitation method in simulated leaching solutions. An optimization conditions (pH and reaction atmosphere) and an effect of extra Li ions in simulated leaching solutions are investigated. Precursors and the active materials show spherical morphology, and their particles size has a tendency to increase with decreasing pH value. The LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 active materials at pH 10.50 present a relatively narrow particle size distribution, high crystallization, and good cycling performance. The LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 active materials in N2 atmosphere show a narrow particle distribution, good layered structure compared to the active materials in air atmosphere. The electrochemical performance of active materials in N2 atmosphere exhibits good cycling performance at low and high temperatures and low charge transfer resistance compared to the cathode active materials in air atmosphere. The amount of Li ions in the precursors obtained from simulated leaching solutions appears insignificant after adequate washing of precursors. The precursors with Li have spherical morphology and almost identical particle sizes similar to those without Li.
As the production and consumption of lithium ion batteries (LIBs) increase, the recycling of spent LIBs appears inevitable from an environmental, economic and health viewpoint. The leaching behavior of valuable metals such as Ni, Mn, Co, Al and Cu is investigated with ammoniacal leaching agents (ammonia, ammonium carbonate, and ammonium sulfite) for spent cathode active materials, which are separated from a commercial LIB pack in hybrid electric vehicles. Ammonium sulfite as a reductant is necessary to enhance leaching kinetics particularly in the ammoniacal leaching of Ni and Co. Ammonium carbonate can act a pH buffer so that the pH of leaching solution changes little during leaching. Co and Cu can be fully leached out whereas Mn and Al are hardly leached and Ni shows a moderate leaching efficiency. It is confirmed that the cathode active materials are a composite of LiMn2O4, LiCoxMnyNizO2, Al2O3 and C while the leach residue is composed of LiNixMnyCozO2, LiMn2O4, Al2O3, MnCO3 and Mn oxides. Co recovery via the ammoniacal leaching is believed to gain a competitive edge on conventional acid leaching both by reducing the sodium hydroxide expense for increasing the pH of leaching solution and by removing the separation steps of Mn and Al. Further, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode active materials are synthesized by using hydroxide co-precipitation method in simulated leaching solutions. An optimization conditions (pH and reaction atmosphere) and an effect of extra Li ions in simulated leaching solutions are investigated. Precursors and the active materials show spherical morphology, and their particles size has a tendency to increase with decreasing pH value. The LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 active materials at pH 10.50 present a relatively narrow particle size distribution, high crystallization, and good cycling performance. The LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 active materials in N2 atmosphere show a narrow particle distribution, good layered structure compared to the active materials in air atmosphere. The electrochemical performance of active materials in N2 atmosphere exhibits good cycling performance at low and high temperatures and low charge transfer resistance compared to the cathode active materials in air atmosphere. The amount of Li ions in the precursors obtained from simulated leaching solutions appears insignificant after adequate washing of precursors. The precursors with Li have spherical morphology and almost identical particle sizes similar to those without Li.
주제어
#lithium ion battery cathode re-synthesis recycling ammoniacal leaching
학위논문 정보
저자
구희숙
학위수여기관
세종대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
에너지자원공학과
지도교수
권경중
발행연도
2016
키워드
lithium ion battery cathode re-synthesis recycling ammoniacal leaching
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