리튬이온전지 양극제조 공정에서 사용된 NMP를 회수하기 위한 하이브리드형 NMP 회수시스템 개발에 관한 연구 Study on the Development of Hybrid NMP Recovery System for Recovering the Used NMP in Lithium Ion Battery Cathode Manufacturing Process원문보기
리튬이온전지 양극활물질 제조공정의 용제로 사용되는 NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidinone)는 전량수입에 의존하고 있으며 BASF와 ISP의 독과점에 따라 높은 가격을 유지하고 있다. 이로 인해 대부분의 리튬이온전지 제조업체들은 건조과정에서 배기되는 공기 중에서 NMP를 회수한 후 재사용하는 방식을 이용하고 있다. 국내에서는 주로 NMP의 친수성을 이용해 흡수탑에서 회수하는 흡수법을 사용한다. 이 방식으로 회수된 NMP의 순도는 80% 수준이며, 처리된 가스의 수분 함유량이 높아 100% 배기할 수밖에 없는 문제점이 있다. 본 연구에서는 냉각응축법과 농축법을 복합 구성하여 NMP 회수율이 99.6%, 회수된 NMP 순도가 96.1%인 하이브리드형 NMP 회수시스템을 개발하였다.
리튬이온전지 양극활물질 제조공정의 용제로 사용되는 NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidinone)는 전량수입에 의존하고 있으며 BASF와 ISP의 독과점에 따라 높은 가격을 유지하고 있다. 이로 인해 대부분의 리튬이온전지 제조업체들은 건조과정에서 배기되는 공기 중에서 NMP를 회수한 후 재사용하는 방식을 이용하고 있다. 국내에서는 주로 NMP의 친수성을 이용해 흡수탑에서 회수하는 흡수법을 사용한다. 이 방식으로 회수된 NMP의 순도는 80% 수준이며, 처리된 가스의 수분 함유량이 높아 100% 배기할 수밖에 없는 문제점이 있다. 본 연구에서는 냉각응축법과 농축법을 복합 구성하여 NMP 회수율이 99.6%, 회수된 NMP 순도가 96.1%인 하이브리드형 NMP 회수시스템을 개발하였다.
The availability of NMP, a solvent used in the manufacturing process of cathode material for lithium ion battery, depends on importation, and the price remains high because of the monopoly of BASF and ISP. For these reasons, most Lithium ion battery manufacturers reuse NMP after recovering it from t...
The availability of NMP, a solvent used in the manufacturing process of cathode material for lithium ion battery, depends on importation, and the price remains high because of the monopoly of BASF and ISP. For these reasons, most Lithium ion battery manufacturers reuse NMP after recovering it from the exhaust air in the drying process. In Korea, absorption method is mainly used for recovering NMP from the absorption tower using the hydrophilicity of NMP. However, this system has a few disadvantages, such as low purity (80％) of the recovered NMP and 100％ emission due to high water content of the treated gas. In this study, we develop a hybrid NMP recovery system by combining cooling condensation method with concentration method, by which it is possible to obtain an NMP recovery rate of 99.6％, and a high purity (96.1％) of the recovered NMP.
The availability of NMP, a solvent used in the manufacturing process of cathode material for lithium ion battery, depends on importation, and the price remains high because of the monopoly of BASF and ISP. For these reasons, most Lithium ion battery manufacturers reuse NMP after recovering it from the exhaust air in the drying process. In Korea, absorption method is mainly used for recovering NMP from the absorption tower using the hydrophilicity of NMP. However, this system has a few disadvantages, such as low purity (80％) of the recovered NMP and 100％ emission due to high water content of the treated gas. In this study, we develop a hybrid NMP recovery system by combining cooling condensation method with concentration method, by which it is possible to obtain an NMP recovery rate of 99.6％, and a high purity (96.1％) of the recovered NMP.
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문제 정의
본 연구에서는 냉각응축법을 사용해 NMP를 고순도로 회수하고, 처리공기를 흡착농축장치로 2차 처리하는 하이브리드형 NMP 회수시스템을 제작하여 성능을 평가하였다.
제안 방법
NMP 농도 분석 전 샘플링에 대한 농도 계산을 위해 8개의 표준 시료를 사용하여 검량선을 계산하였다. 주입된 NMP의 농도는 512~102,800ng 범위에서 제조하였으며, 제조된 표준시료는 GCMS로 분석하고 피크의 면적을 계산해 검량선을 작성하였다.
NMP 성능평가를 위해 사용한 순수 NMP의 물성은 Table 3과 같다. 건조로의 농도를 구현하기 위해 순수 NMP를 1, 2차 발생기에서 증발시켰다.
농축된 NMP를 탈착하기 위한 농축부의 온도는 농축부 후단에서 탈착된 NMP가 응축되지 않는 온도인 70℃를 기준으로 재생 온도를 설정하였다. 히터 부하와 로터의 성능을 고려하여 농축부의 온도는 140℃로 선정하여 운전하였다.
전처리 장비로 사용된 TD(Thermal Desorption)는 NMP를 흡착한 흡착관을 고온으로 가열하여 흡착된 NMP를 탈착시켜 GC-MS로 보내주는 역할을 하며 캐리어 가스로 헬륨(He)을 사용하였다. 또한, 분석 장비인 GC-MS를 통해 기상 NMP의 정량적인 농도를 분석하였다.
분석데이터의 신뢰성 향상을 위해 저농도와 고농도 검량선을 구분하여 계산하였다. Fig.
특히 김흥수 등은 적은 운전비로 배기가스 농도를 90% 이상 감소시킬 수 있다는 결과를 보였다. 이를 근거로 냉각응축법에 로터식 흡착농축장치 적용하여 시스템에서 최종 처리된 공기의 농도를 획기적으로 저감시킬 수 있는 시스템을 구성하였다.
NMP 회수시스템의 성능을 결정하는 가장 주요한 요소는 처리된 NMP 가스의 농도와 응축 회수된 NMP의 순도이다. 이에 본 실험에서는 열교환기 입구, 로터 입출구에서 공기를 샘플링하여NMP 농도분석을 하였으며, 냉수코일에서 회수되는 NMP의 순도분석을 진행하였다.
컨트롤박스의 전장 설계 및 부품 선정은 ‘CE 인증’ 규격에 준한다. 장비의 옥외 설치시를 고려하여, 인버터(Inverter), 전력조정기(SCR) 등 컨트롤박스 내부 발열로 인한 부품의 손상을 방지하기 위해 40℃ 미만으로 관리 운전하도록 별도의 환기팬을 설치하였다.
종래의 NMP 회수방식인 흡수식 대신 냉각응축법과 농축법을 적용한 하이브리드형 NMP 회수시스템을 개발하였으며 농도 및 순도분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
NMP 농도 분석 전 샘플링에 대한 농도 계산을 위해 8개의 표준 시료를 사용하여 검량선을 계산하였다. 주입된 NMP의 농도는 512~102,800ng 범위에서 제조하였으며, 제조된 표준시료는 GCMS로 분석하고 피크의 면적을 계산해 검량선을 작성하였다.
하이브리드형 NMP 회수시스템의 자동제어는 전용 MICOM(Micro Computer) 컨트롤러를 중심으로 컨트롤박스 내의 구성 파트를 제어하여 전체적인 시스템 연계 동작을 구현하였다. 이러한 하이브리드형 NMP 회수시스템의 자동제어 계통도를 Fig.
Karl Fischer 수분분석기는 회수액에 포함된 수분에 대한 평가만을 진행하므로 다른 유기물의 존재를 확인하기 어렵다. 회수된 NMP의 유기물 포함 여부를 확인하기 위해 Fig. 9와 같이 응축 회수된 NMP를 GC-MS 분석하였으며 분석결과 다른 유기물이 존재하지 않는 것을 확인 하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용한 9,000 NCMH 급 하이브리드형 NMP 회수시스템의 3D 모델링 형상을 Fig. 2에 나타내었다. 이 중 예열히터와 발생기는 리튬이온 이차전지 건조로를 구현하기 위한 장치이며, 실제 장비에는 적용되지 않는 부분이다.
전용 MICOM 제어기는 센서모듈을 별도로 구성하여 RS485 통신으로 데이터를 수집한다. 이렇게 함으로써 장비 구동을 위한 센서와 장비 상태정보 수집을 위한 계측센서의 관리를 용이하게 하며 장비 내 센서 분포가 밀집한 구역에 설치하여 외부 노이즈 및 배선 구성을 최소화 할 수 있다.
전처리 장비로 사용된 TD(Thermal Desorption)는 NMP를 흡착한 흡착관을 고온으로 가열하여 흡착된 NMP를 탈착시켜 GC-MS로 보내주는 역할을 하며 캐리어 가스로 헬륨(He)을 사용하였다. 또한, 분석 장비인 GC-MS를 통해 기상 NMP의 정량적인 농도를 분석하였다.
이론/모형
NMP의 순도분석은 시료에 함유되어 있는 수분량을 측정하는 Karl Fischer 법을 이용하였다.
NMP와 같은 휘발성유기화합물은 증기압에 따라 특정온도에서 포화농도가 결정되며, 이를 초과하면 표면장력이 증가하여 응축이 발생하게 된다. 각 온도별 포화농도는 Antoine equation을 이용해 예측할 수 있다.
성능/효과
(1) 하이브리드형 NMP 회수시스템의 NMP 회수율은 평균 99.6%, 흡착효율은 평균 97.6%의 결과를 보였다. 로터흡착 출구농도는 평균 2.
(2) 하이브리드형 NMP 회수시스템의 회수순도는 평균 96.1 %로 확인되었으며 흡수식 회수시스템의 회수순도인 80 % 대비 약 16.1 % 높은 순도를 나타내었다.
(4) 냉수코일 통과 후 NMP 농도는 냉수코일 후단온도에 따른 포화증기압에 의해 결정되는 것을 확인하여 Antoine equation을 이용한 시스템 설계가 타당함을 확인하였다.
평가결과 냉수코일 통과 후의 농도는 시스템 입구의 농도와 상관없이 냉수코일 후단 온도에 영향을 받는 것으로 나타났다. 따라서 냉수코일 온도를 조정하여 NMP 농도를 결정하는 것이 타당한 것으로 확인되었다.
냉각응축법을 사용할 경우 회수량을 결정할 수 있으며, 95% 이상의 고순도로 NMP 회수가 가능한 시스템의 구성이 가능하다. 또한, 처리후 공기의 수분함량의 증가가 없어 건조로에 재순환이 가능한 친환경적인 시스템 구성이 가능하다.
측정 결과 NMP 회수율은 평균 99.6%, 흡착효율은 평균 97.6%의 결과를 보였다. 로터흡착 출구농도는 2.
NMP 회수 실험을 10회 진행하여 각각의 실험에서 회수된 회수액의 Karl Fischer 수분분석기를 이용한 NMP 순도 분석결과를 Table 8에 나타내었다. 평가 결과 10회 실험에서 회수된 NMP의 순도는 평균 96.1%를 나타내었다.
평가결과 냉수코일 통과 후의 농도는 시스템 입구의 농도와 상관없이 냉수코일 후단 온도에 영향을 받는 것으로 나타났다. 따라서 냉수코일 온도를 조정하여 NMP 농도를 결정하는 것이 타당한 것으로 확인되었다.
흡수식 회수시스템의 NMP 회수순도인 80%와 비교하여 하이브리드형 NMP 회수시스템의 회수순도가 약 16.1% 우수한 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
(3) 회수된 NMP의 GC-MS 결과 기타 유기물이 존재하지 않았으므로 별도의 정제장치에서 수분을 제거한 후 고순도의 NMP로 정제하여 사용 가능할 것으로 판단된다. 또한, 회수순도가 흡수식 회수시스템보다 높기 때문에 운전비 또한 절감될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
ESS 산업이 각광받는 이유 무엇인가?
화석연료의 감소, 환경문제 대두에 따른 전기차, 태양광, 풍력 발전 등 친환경적 에너지 사용이 주요 관심사로 발전함에 따라 생산한 에너지를 저장할 수 있는 ESS 산업이 각광받고 있다. 이러한 기술의 핵심요소인 리튬이온 이차전지 시장이 확대되고 있으며, 이에 따라 양극제조에 사용되는 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidinone)의 사용량이 증가하는 있는 추세이다.
리튬이온 이차전지 시장이 확대됨에 따라 증가하는 것은 무엇인가?
화석연료의 감소, 환경문제 대두에 따른 전기차, 태양광, 풍력 발전 등 친환경적 에너지 사용이 주요 관심사로 발전함에 따라 생산한 에너지를 저장할 수 있는 ESS 산업이 각광받고 있다. 이러한 기술의 핵심요소인 리튬이온 이차전지 시장이 확대되고 있으며, 이에 따라 양극제조에 사용되는 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidinone)의 사용량이 증가하는 있는 추세이다.
NMP 용제의 가격이 비싸기 때문에 어떤 노력이 이루어지고 있는가?
국내 NMP 용제 시장은 BASF와 ISP 등의 외국계 업체가 과점하고 있으며, NMP 용제는 일반적인 용제와 비교하여 가격이 비싼 용제이다. (2) 이로 인해 일반적인 VOCs 처리 방법인 연소 방식 대신 냉각응축법이나 흡수법 등으로 회수하여 재사용하기 위한 노력이 이루어지고 있다.
참고문헌 (9)
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