선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이에 본 실험에서는 알루미늄을 제거하고 코발트를 농축시키는 고효율 친환경 물리적전처리기술울 개발하고, 코발트농축물로부터 고순도 코발트를 제조하기 위한 화학적 처리기술개발 및 회수한 고순도 코발트를 소재원료 물질로 사용하기 위한 소재화기술을 개발하고자 한다. 배터리 양극활물질 제조 시 사용되는 산화코발트는 순도 99.9%이상, 입자크기 5~15 ㎛의 입자를 사용하고 있으며, 본 실험에서 배터리양극 원료로의 사용 가능성을 알아보기 위해 산화코발트 순도 99.98% 이상, 입자크기10 정도의 분말 제조기술을 개발하고자 한다. 본 연구에서는 리튬이온전지 스크랩으로부터 고가의 희유금속인 코발트를 친환경 고효율적 방법으로 회수하기 위하여 코발트 및 리튬이 함유되어 있는 양극활물질 (cathode active material, LiCoO?)를 알루미늄 시트로부터 분리하기 위한 최적의 파쇄, 열처리, 선별기술을 개발하여 Pilot test를 행하였고 분리한 양극활물질로부터 코발트를 고효율로 회수하기위해 침출, 정제(용매추출), 침전회수기술을 개발하였다.
- 98% 이상, 입자크기10 정도의 분말 제조기술을 개발하고자 한다. 본 연구에서는 리튬이온전지 스크랩으로부터 고가의 희유금속인 코발트를 친환경 고효율적 방법으로 회수하기 위하여 코발트 및 리튬이 함유되어 있는 양극활물질 (cathode active material, LiCoO?)를 알루미늄 시트로부터 분리하기 위한 최적의 파쇄, 열처리, 선별기술을 개발하여 Pilot test를 행하였고 분리한 양극활물질로부터 코발트를 고효율로 회수하기위해 침출, 정제(용매추출), 침전회수기술을 개발하였다. 또한, 회수한 코발트를 리튬이온전지 양극활물질의 소재로의 응용성을 확인하기 위해 회수한 코발트화합물을 열처리와 분쇄에 의해 삼산화코발트(CO3O4)를 제조하는 실험을 수행하였다.
- 따라서 공정효율성을 위해 알루미늄을 물리적 방법으로 제거한 후 습식처리에 의해 코발트를 회수하는 것이 바람직하다. 이에 본 실험에서는 알루미늄을 제거하고 코발트를 농축시키는 고효율 친환경 물리적전처리기술울 개발하고, 코발트농축물로부터 고순도 코발트를 제조하기 위한 화학적 처리기술개발 및 회수한 고순도 코발트를 소재원료 물질로 사용하기 위한 소재화기술을 개발하고자 한다. 배터리 양극활물질 제조 시 사용되는 산화코발트는 순도 99.
제안 방법
- 제조하였다.20)침전반응에 의해 얻어진 산화코발트의 평균입도는 50 ㎛이상이므로 이를 미세하게 분쇄하기 위해 Planetary micro mill을 사용하여 일정시간 분쇄실험을 행하였다.
- 과 田。2를 일정비율 혼합한 후 사용하였고 침출액을 목적온도로 가열한 후 물리적 전처리하여 얻은 양극활물질(LiCoC>2)분말을 시료로 사용하여 침출실험을 행하였다.
- 3에 나타내었다. Bath囲 물 온도를 실험온도 40~95℃로 조절한 후 3구 플라스크(1L)에 일정량의 침출액을 넣고 침출액의 온도가 실험온도까지 도달하면 양극활물질을 넣고 교반하면서 일정시간 침출 실험을 행한 후 침출액의 화학조성을 ICP로 분석하였다.
- 수용액상을 분리하고 깔대기에 남아 있는 유기상내에 추출된 금속성분을 회수하기 위해 농도가 조절된 황산을 깔대기에 넣고 수분간 격렬히 흔들어 일정 시간 유지시키면 유기상은 상부에 금속성분이 역 추출된 역추출액은 하부에 분리되고 역추출액을 깔대기로부터 분리하여 희석한 후 ICP로 분석하였다. D2EHPA 로 알루미늄 및 철의 추출실험을 하였고, PC88A를 사용하여 여액에 잔존하는 코발트 추출실험을 행하였다.
- 이어서 Kawakami5) 등은 폭발을 억제할 수 있는 방법으로 전지를 절단한 후 유기용매로 세척하는 방법으로 전해액을 회수하였고 리튬을 수산화물로 회수하고 기타 유가금속은 여과에 의해 회수하였다. Sumitomo metals mining6) 폐리튬이온전지를 파쇄, 자력선별 후 환원성분위기에서 하소하여 코발트를 회수하는 공정을 개발하였다.
- 금속침출율에 대한 고/액 비율의 영향을 알아보기 위해 황산농도 2M, 과산화수소 농도 0.25 M, 교반속도 300 rpm, 침출온도 90, 고/액 비율 10~40%에서 침출 실험을 행하여 그 결과를 Fig. 11에 나타내었다. Fig.
- 금속침출율에 대한 교반속도의 영향을 알아보기 위해 황산 농도 2M, 과산화수소농도 0.25 M, 70~90℃, 고/액 비율 10%, 교반속도 100-400 rpm에서 침출실험을 행하여 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. Fig.
- 또한, 양극활물질과 양극 물질(Al)의 분리도를 향상시킬 목적으로 접착성분을 제거하기 위해 전기로(muffle furnace, MIR RF 1000B))에서 소성실험(소성온도 300~600℃, 소성시간 1~5 hr)을행하여 분리도를 조사하였다. 또한, 양극활물질과 양극 물질(A1)의 단체분리를 위해 소성한 샘플을 파쇄기로 일정 시간 동안 파쇄한 후 파쇄산물을 입도별로 분리하고 분리된 산물을 왕수를 사용하여 침출한 후 ICP로 유가금속의 함량을 분석하였다.
- 회수하기 위해 Cut crusher(한국기계엔지니어링, 3HP)로 파쇄한 후 입도별로 분리하여 입도별 유가 금속의 함량을 분석하였다. 또한, 양극활물질과 양극 물질(Al)의 분리도를 향상시킬 목적으로 접착성분을 제거하기 위해 전기로(muffle furnace, MIR RF 1000B))에서 소성실험(소성온도 300~600℃, 소성시간 1~5 hr)을행하여 분리도를 조사하였다. 또한, 양극활물질과 양극 물질(A1)의 단체분리를 위해 소성한 샘플을 파쇄기로 일정 시간 동안 파쇄한 후 파쇄산물을 입도별로 분리하고 분리된 산물을 왕수를 사용하여 침출한 후 ICP로 유가금속의 함량을 분석하였다.
- 본 연구에서는 리튬이온전지 스크랩으로부터 고가의 희유금속인 코발트를 친환경 고효율적 방법으로 회수하기 위하여 코발트 및 리튬이 함유되어 있는 양극활물질 (cathode active material, LiCoO?)를 알루미늄 시트로부터 분리하기 위한 최적의 파쇄, 열처리, 선별기술을 개발하여 Pilot test를 행하였고 분리한 양극활물질로부터 코발트를 고효율로 회수하기위해 침출, 정제(용매추출), 침전회수기술을 개발하였다. 또한, 회수한 코발트를 리튬이온전지 양극활물질의 소재로의 응용성을 확인하기 위해 회수한 코발트화합물을 열처리와 분쇄에 의해 삼산화코발트(CO3O4)를 제조하는 실험을 수행하였다.
- Zliang아은 폐리튬이온전지에서 코발트와 리튬을 회수하는 연구를 하였으며, 금속 침출제로 염산을 사용하였고 용매추출법으로 코발트와 리튬을 분리하였다. 리튬 및 코발트에 회수율에 대한 침출제농도, 온도, 침출시간, 고/액비율 등의 仓ctor의 영향을 검토하였다. 코발트는 용매추출로 회수하고 리튬은 탄산나트륨을 사용하여 탄산리튬으로 회수하였다.
- 물리적 전처리는 1차 파쇄, 소성, 2차 파쇄실험을 행하였다. 코발트계 양극스크랩으로부터 양극활물질 (LiCoO, 을 분리 .
- GMBH7)에서는 파쇄.분급산침출-전해채취 공정을 개발하여 폐전지에서 Ni, Cu, Li, Mn, Co 등을 금속 형태로 회수하는 기술을 개발하였다. Okamoto8)는 리튬이온전지로부터 코발트를 제외한 다른 금속을 전기방전, 열처리, 자력선별, 분류법등을 이용하여 회수하고 회수된 저품위 코발트는 열처리하여 고품위 코발트로 회수하는 공정을 개발하였다.
- 일정비율 혼합하여 사용하였다. 분별깔대기에 침출 용액과 추출용매를 일정비율로 넣은 후 5분 이상 상하로 격렬하게 흔든 다음 유기상과 수용액상이 완전히 분리될 때까지 정치한 후 유기상과 수용액상이 완전히 분리되면 하부에 있는 수용액을 먼저 분리하여 샘플링 후일 정비율로 증류수로 희석하여 ICP분석법으로 금속 성분을 분석하였다. 수용액상을 분리하고 깔대기에 남아 있는 유기상내에 추출된 금속성분을 회수하기 위해 농도가 조절된 황산을 깔대기에 넣고 수분간 격렬히 흔들어 일정 시간 유지시키면 유기상은 상부에 금속성분이 역 추출된 역추출액은 하부에 분리되고 역추출액을 깔대기로부터 분리하여 희석한 후 ICP로 분석하였다.
- 분석은 시료를 왕수로 침출한 후 상온으로 냉각하고 잔사를 여과하여 여액을 ICP(Perkin Elmer사, Optima 2000) 로정량 분석하였다.
- 불순물 유입을 방지하기 위해 pH조절제로 수산화리튬 (LiOH)을 사용하여 pH를 조절하여 회수실험을 행하였다. 그 결과를 Fig.
- 산화코발트금속분말을 제조하기 위해 침전 회수하여 얻은 수산화코발트를 300~800℃에서 일정시간 유지시킨 후 냉각시켜 산화코발트를 제조하였다.20)침전반응에 의해 얻어진 산화코발트의 평균입도는 50 ㎛이상이므로 이를 미세하게 분쇄하기 위해 Planetary micro mill을 사용하여 일정시간 분쇄실험을 행하였다.
- 분별깔대기에 침출 용액과 추출용매를 일정비율로 넣은 후 5분 이상 상하로 격렬하게 흔든 다음 유기상과 수용액상이 완전히 분리될 때까지 정치한 후 유기상과 수용액상이 완전히 분리되면 하부에 있는 수용액을 먼저 분리하여 샘플링 후일 정비율로 증류수로 희석하여 ICP분석법으로 금속 성분을 분석하였다. 수용액상을 분리하고 깔대기에 남아 있는 유기상내에 추출된 금속성분을 회수하기 위해 농도가 조절된 황산을 깔대기에 넣고 수분간 격렬히 흔들어 일정 시간 유지시키면 유기상은 상부에 금속성분이 역 추출된 역추출액은 하부에 분리되고 역추출액을 깔대기로부터 분리하여 희석한 후 ICP로 분석하였다. D2EHPA 로 알루미늄 및 철의 추출실험을 하였고, PC88A를 사용하여 여액에 잔존하는 코발트 추출실험을 행하였다.
- 알루미늄을 분리시킨 양극활물질 분말로부터 금속 성분의 침출거동을 알아보기 위해 침출제로 황산(H2SO4), 환원제로 과산화수소수를 사용 하였으며, 황산농도 1~3 M, 반응온도 40~95℃, 교반속도 0-1500 rpm, 고/액농도 10-100 gO] 조건에서 침출실험을 행하였다. 침출 실험 장치의 모식도를 Fig.
- 양극활물질과 양극물질(A1)사이의 접착제를 제거하기 위해 전기로(Fig. 5)에서 온도 400, 450, 500也에서 1~3 hr 동안 가열하면서 접착제 제거실험을 행하여 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig.
- 용매추출방법에 의한 정제실험을 통하여 얻어진 정액을 일정량 채취한 후 비이커에 넣고 농도 조절이 된 수산화나트륨 용액을 사용하여 pH을 증가(pH 2~9)시키면서 코발트 침전에 대한 pH의 영향을 조사하였다. 코발트를 회수하고 남은 여액에서 리튬을 회수하기 위해
- 중화침전법에 의해 코발트를 수산화코발트로 분리한 후 여액에 잔존하는 리튬을 회수하기 위해 탄산나트륨 (NazCCh)을 사용하여 리튬을 탄산리튬으로 침전시켜 회수하였다. 실험결과를 Fig.
- 최적침출조건을 구하기 위해 코발트 침출율에 대한 황산( H2SO4)농도, 과산화수소수(HQ, 농도, 온도, 침출시간 및 고/액비의 영향을 알아보았다. 침출반응식을 아래에 나타내었다.
- 침출 속도에 대한 Na2SO3, H2O2 등의 영향을 조사하였으며 용매추출, 이온교환, 중화공정에 의해 코발트와 리튬을 분리하고 옥살산을 이용하여 코발트옥살레이트 형태로 유가 금속을 회수하였다. Lee와 Rhee14)는 리튬이온전지로부터 리튬과 코발트를 침출하기 위해 질산을 침출제로 사용한 공정을 새로이 개발하였다 (2003).
- 침출액에서 알루미늄을 제거한 용액에서 코발트와 리 틈을 분리하기위해 코발트 유기용매 PC88A를 kerosene 에 희석시켜 추출제로 사용하여 코발트 추출실험을 행하였고 그 결과를 Fig. 13에 나타내었다. 3단 추출에서 코발트가 99.
- 코발트와 리튬의 침출율에 대한 침출온도의 영향을 알아보기 위해 황산 2M, 과산화수소 0.3M’ 300 rpm, 1시간, 침출온도 40~95℃에서 침출실험을 행하여 Fig. 10에 표시하였다. Fig.
- 탄산나트륨을 첨가시켜 탄산리튬으로 침전시켜 회수하였다.
- 황산농도 변화에 따른 코발트와 리튬의 침출거동을알아보기 위해 H2SO4 0.5 M~3 M, H2O2 0.3 M, 90,300rpm에서 침출실험을 행하여 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. Fig.
- 황산침출액을 사용하여 양극활물질을 침출하면 코발트 뿐만 아니라 알루미늄, 리튬 등이 동시에 침출되어 이들 금속들을 코발트로부터 분리시키기 위해 추출제로 D2EHPA를, 희석제로 kerosene을 사용하여 추출실험을 행하였다.
- 코발트계 양극스크랩으로부터 양극활물질 (LiCoO, 을 분리 . 회수하기 위해 Cut crusher(한국기계엔지니어링, 3HP)로 파쇄한 후 입도별로 분리하여 입도별 유가 금속의 함량을 분석하였다. 또한, 양극활물질과 양극 물질(Al)의 분리도를 향상시킬 목적으로 접착성분을 제거하기 위해 전기로(muffle furnace, MIR RF 1000B))에서 소성실험(소성온도 300~600℃, 소성시간 1~5 hr)을행하여 분리도를 조사하였다.
대상 데이터
- 고순도 코발트를 제조하기 위해 상기 침출시험(222)에 의해 만들어진 침출액을 사용하였다.
- 본 연구에서는 리튬이온전지 제조공정에서 발생된 코발트계 양극스크랩을 사용하였으며 그 사진을 Fig. 1에 나타내었다. 시료는 폭 5 cm, 길이 20 cm의 것을 사용하였다.
- 1에 나타내었다. 시료는 폭 5 cm, 길이 20 cm의 것을 사용하였다.
- 용매추출실험을 통하여 알루미늄 및 불순물을 제거한 코발트 함유된 용액과 리튬이 함유된 추출여액을 침전실험용 시료로 사용하였다.
- 7%추출되었고, 리튬도 40%정도 Co와 함께 추출됨을 알 수 있었다. 유기용매로부터 코발트를 탈리하기 위해 탈리액으로 20%황산을 사용하였고 탈리율이 99.5%로 추출된 코발트의 대부분이 탈리되었고 리튬 탈리율은 42%이었다. 따라서 침출액 중에 함유되어있는 리튬함량의 1/4정도가 정액공정 후에 코발트에 남았다.
- 추출용매로 D2EHPA와 PC88A를 희석재인 Kerosene 에 일정비율 혼합하여 사용하였다. 분별깔대기에 침출 용액과 추출용매를 일정비율로 넣은 후 5분 이상 상하로 격렬하게 흔든 다음 유기상과 수용액상이 완전히 분리될 때까지 정치한 후 유기상과 수용액상이 완전히 분리되면 하부에 있는 수용액을 먼저 분리하여 샘플링 후일 정비율로 증류수로 희석하여 ICP분석법으로 금속 성분을 분석하였다.
- 침전회수공정에서 만들어진 수산화코발트를 실험 재료로 사용하였다.
- 코발트계 양극스크랩으로부터 물리적 전처리에 의해 분리 - 회수한 양극활물질(LiCoCb) 분말을 침출실혐 재료로 사용하였다(Fig. 2). 물리적 전처리한 양극활물질을 왕수로 침출한 후 ICP로 분석하였으며 화학조성을 Table 2에 나타내었다.
이론/모형
- Okamoto8)는 리튬이온전지로부터 코발트를 제외한 다른 금속을 전기방전, 열처리, 자력선별, 분류법등을 이용하여 회수하고 회수된 저품위 코발트는 열처리하여 고품위 코발트로 회수하는 공정을 개발하였다. Zliang아은 폐리튬이온전지에서 코발트와 리튬을 회수하는 연구를 하였으며, 금속 침출제로 염산을 사용하였고 용매추출법으로 코발트와 리튬을 분리하였다. 리튬 및 코발트에 회수율에 대한 침출제농도, 온도, 침출시간, 고/액비율 등의 仓ctor의 영향을 검토하였다.
성능/효과
- 이들 스크랩에는 구리, 니켈, 망간 등 중금속 뿐만 아니라 전지 내부의 유기전해액이 함유되어 있어 적정처리 없이 매립할 경우 환경오염의 문제를 발생시킬 수 있다.1) 리튬이온전지는 종류에 따라 성분과 함링차이가 있으며 코발트(Co)계의 경우 Co(5~10%), Li(5~10%), Cu(5~10%) 등의 유가금속이 함유되어 있고, Ni-Mn계의 경우 Co(0~20%), Li(5~10%), Ni(5~40%), Mn(5~40%) 등의 유가금속과 유기성분 (8-15%), 플라스틱(1415%)으로 구성되어 있다.2)따라서 다량 배출되고 있는 스크랩의 적정처리가 필요하며 자원이 부족하여 전량 수입하고 있는 우리나라에서는 자원보존 및 자원확보의 차원에서 이들 스크랩에 함유되어 있는 유가금속의 회수가 필수 불가결하다.
- 1. 양극스크랩을 구성하고 있는 알루미늄쉬트를 제거하고 양극활물질 (LiCoCh)을 농축하기 위해 물리적 전처리기술(절단-소성파쇄선별)을 개발하여 전처리 공정에서의 코발트 회수율을 99%이상 달성하였으며, 기존 개발한 전처리기술에서의 코발트회수율이 90%이하인 것과 비교하여 코발트회수율이 월등히 높아 상용화 가능성을 확인하였다.
- 2. 물리적전처리공정을 거쳐서 얻어진 양극활물질 (LiCoQj)로부터 코발트와 리튬을 습식처리에 의해 분리 · 회수하기위해 침출실험을 행하였고, 황산 2.0M, 과산화수소 0.25M, 교반속도 300rpm, 반응온도 90, 고/ 액 비율 10%에서 최적침출조건임을 알 수 있었다.
- 3. 침출액으로부터 코발트와 리튬을 회수하고 금속 불순물을 제거하기 위해 용매추출 실험을 행하여, D2EHPA에의해 알루미늄이 99%이상 제거되었고 PC88A에 의해 코발트의 대부분을 추출할 수 있음을 알 수 있었다.
- 13에 나타내었다. 3단 추출에서 코발트가 99.7%추출되었고, 리튬도 40%정도 Co와 함께 추출됨을 알 수 있었다. 유기용매로부터 코발트를 탈리하기 위해 탈리액으로 20%황산을 사용하였고 탈리율이 99.
- 4. 용매추출 후 추출액내의 코발트와 리튬을 분리하기 위해 수산화리튬(LiOH)을 사용하여 중화침전법으로 코발트를 수산화코발트 (Co(OH)2)99%이상 회수하였고, 여액에 잔존하는 리튬(Li)은 탄산나트륨(NazCO3)을 사용하여 탄산리튬(Li2(CO)3)으로 대부분 회수하였다.
- 10에 표시하였다. Fig. 10에서 침출온도가 증가할수록 코발트 및 리튬침출율이 증가하였으며, 80이상에서 코발트 및 리튬이 100% 침출율을 보였다.
- Table 3에서 보듯이 -40 mesh(350)에서 코발트 1.1%, 리튬 1.7%, 알루미늄 89.9%이었음을 알았다.
- 9에 나타내었다. 과산화수소농도가 증가함에 따라 코발트와 리튬의 침줄율이 증가하였고 0.2 M 이상에서 코발트 및 리튬의 침출율이 100%이었다.
- 불순물 유입을 방지하기 위해 pH조절제로 수산화리튬 (LiOH)을 사용하여 pH를 조절하여 회수실험을 행하였다. 그 결과를 Fig. 14에 나타내었고 pH 5이상에서 코발트가 침전하기 시작하여 pH 8 이상에서 대부분의 코발트가 수산화코발트(Co(OH)2)로 침전되었고, pH 8 이상에서 리튬의 침전율은 10%정도였으며 대부분 용액 중에 잔존함에 따라 정액에 존재하는 리튬함량의 90% 를 분리할 수 있었다. 코발트의 중화반응식은 아래 식과 같다.
- 9%로 높음을 알 수 있었다. 또한, 코발트와 리튬의 입도별 상대 함량이 비슷하였으나 알루미늄은 파쇄 후 +18 mesh 에서 90.9%로 입자크기가 크게 파쇄되었음을 알 수 있었다.
- 실험결과를 Fig. 15에 나타내었으며 pH가 증가함에 따라 침전율이 증가하였으며 pH 8이상에서 침전율이 98%이상이었으며 리튬의 대부분이 침전에 의해 회수할 수 있음을 알 수 있었다. 침전율이 100%에 미치지 못하는 이유는 탄산리튬의 용액내 용해도가 0.
- 이상의 결과들로부터 코발트 침출에 대한 최적 침출 조건은 황산농도 2 M, 과산화수소농도 0.25 M, 교반 속도 300 rpm, 침출온도 90℃, 반응시간 1시간임을 알 수 있었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.