보고서 정보
주관연구기관 |
한국생산기술연구원 Korea Institute of Industrial Technology |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2014-05 |
과제시작연도 |
2014 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO201500001852 |
과제고유번호 |
1711022177 |
사업명 |
한국생산기술연구원연구운영비지원 |
DB 구축일자 |
2015-05-02
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키워드 |
코발트.폐리튬이차전지.폐초경공구.폐촉매.친환경.저에너지형.습식공정.전해채취.재활용.재소재화.
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초록
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핵심기술
○ 친환경 유기산을 사용한 폐자원으로부터 코발트 기초소재화 기술
○ 저에너지 소비형 전해채취를 통한 코발트 재소재화(금속화) 기술
○ 폐자원으로부터 코발트 회수 공정 단순화 공정 및 직접 재소재화 기술
○ 친환경 유기산으로부터 직접 전해채취공정을 통한 코발트 재소재화 기술
○ 유해물질 사용 저감형 코발트 회수 및 고순도 코발트화합물 제조 공정 기술
최종목표
○ 폐리튬이차전지로부타 고품위 코발트를 회수하기 위한 저공해/저에너지 기술 개발
○ WC-Co 기반의 초경공구 스크랩으
핵심기술
○ 친환경 유기산을 사용한 폐자원으로부터 코발트 기초소재화 기술
○ 저에너지 소비형 전해채취를 통한 코발트 재소재화(금속화) 기술
○ 폐자원으로부터 코발트 회수 공정 단순화 공정 및 직접 재소재화 기술
○ 친환경 유기산으로부터 직접 전해채취공정을 통한 코발트 재소재화 기술
○ 유해물질 사용 저감형 코발트 회수 및 고순도 코발트화합물 제조 공정 기술
최종목표
○ 폐리튬이차전지로부타 고품위 코발트를 회수하기 위한 저공해/저에너지 기술 개발
○ WC-Co 기반의 초경공구 스크랩으로부터 Co 회수기술 개발
○ 폐촉매로부터 고순도 코발트를 회수할 수 있는 친환경적인 습식 공정 개발
개발내용 및 결과
□ 폐리튬배터리로부터 코발트 회수
○ 친환경 유기산을 이용한 코발트 기초소재화 기술(LCO)
- 침출과 분리가 동시에 이루어지는 one-step 공정 : 0.5 M 말릭산 + 0.5 M 옥살산 혼합액(100 ml), 고액비 3 wt. %, 반응온도 95 ℃, 반응시간 5 시간 조건에서 코발트 회수율 98.8 % (과산화수소 배제)
- 코발트 기초소재화 공정
▪ 유기산공정으로부터 LiCoO2 재합성 : Co-옥살레이트를 500 ℃에서 3 시간 열처리한 후 생성된 Co3O4와 LiOH를 1 : 1.1 몰비로 혼합한 후, 900 ℃ 3 시간 열처리한 재소재화 LiCoO2 제조
▪ 무기산공정으로부터 LiCoO2 재합성 : 코발트 탈거액과 CTAB 및 NH4HCO3를 혼합 후 오토클레이브에서 160 ℃, 24 h 반응 후 합성 된 Co3O4를 LiOH와 1 : 1 몰비로 혼합한 후 500 ℃에서 3 시간 열처리하여 생성된 Co3O4와 LiOH를 1 : 1.1 몰비로 혼합한 후 900 ℃에서 3 시간 열처리한 재소재화 LiCoO2 제조
○ 친환경 유기산을 이용한 코발트 기초 소재화 기술(NCM)
- 코발트 침출공정 : 2 M 말릭산, 5 vol. % H2O2, 고액비 5 wt. %, 반응 온도 80 ℃, 반응시간 2 시간 조건에서 코발트 회수율 99.10 %
- 침전법을 이용한 코발트 분리 및 회수공정 : 말릭산 침출액에 0.5 M 옥살산을 투입한 후 침전 회수된 NCM-옥살레이트 내 코발트 회수율 99.10 % 및 NCM-옥살레이트 순도 99.78% - 코발트 기초소재화 공정 : NCM-옥살레이트를 800 ℃에서 3시간 열처리 후 생성된 NCM 산화물을 Li2CO3와 1 : 1.5 몰비로 혼합한 후, 900℃ 12 시간 열처리한 후 합성 된 재소재화 Li(NiXCoyMnz)O2 순도 99.88 %
○ 코발트 소재화를 위한 저에너지 소비형 금속화 기술
- 코발트 침출공정: 2 M 황산, 반응온도 80℃, 고액비 10wt.%, 반응시간 120 min. 조건에서 코발트 침출율 97.52 %
- 침출용매로부터 코발트 분리·정제공정 : 1.0 M PC88A, O/A 비 4, 1단 추출공정 후 코발트 회수율 99.98 %, 2.0 M 황산을 통한 1단 탈거공정 O/A비 5 조건에서 코발트 탈거율 99.99 %
- 코발트 금속 전해채취공정 : 전극면적(cathode) 20 cm2, 인가전류 3 ASD, 반응온도 60 ℃, 반응시간 60 분, 교반속도 150 cycles/분 및 전해질 첨가에 의해 회수된 코발트 금속 순도 99.997 %, 에너지 저감율 20.60% 및 코발트 채취량 0.638 g/h
□ 폐초경으로부터 코발트 회수
○ WC-Co 기반의 초경공구 스크랩으로부터 코발트 회수기술
- 코발트 침출공정 : magnetic stirrer 침출법, 1 M 말릭산, 3 vol % 과산화수소, 500 rpm, 반응온도 상온, 반응용매 200ml, 시료 7 g 조건에서 코발트 침출율 100 %
- 코발트 기초소재화 공정 : 코발트 전해회수 공정, 0.16 M 코발트 함량 침출액, pH 9, CV인가전류 –20 mA, 코발트 회수율 72.73% 및 순도 99.03 %
□ 폐촉매로부터 코발트 회수
○ 폐촉매로부터 친환경 습식공정을 이용한 고순도 코발트 회수
- 코발트 침출공정: 3 M 염산, 반응온도 90℃, 고액비(S/L) 0.05, 반응시간 80 min. 조건에서 코발트 침출율 94%
- 침출용매로부터 코발트 분리·정제공정 : 0.4 M TEHA, A/O 비 2.5, 3단의 추출공정 후 코발트 회수율 99.4 %, 물을 통한 A/O비 1.5, 2단 탈거공정을 통한 코발트 회수율 100 % 및 순도 99.99 %
- 코발트 기초소재화 공정 : 코발트 탈거액 대비 옥살산 몰비 1 : 1.1, 반응온도 60℃, pH 3.5 조건에서 침전법을 통해 CoC2O4 제조, 코발트 회수율 99.89% 및 순도 99.97%
기술개발 배경
○ 국내 발생 코발트 함유 폐자원은 대부분 외국으로 보내지며 재활용된 후 재수입되고 있는 상황
○ 일반적으로 휴대폰 1대에서 회수할 수 있는 코발트의 양은 약 27.4kg으로, 가전제품 등 도시에서 대량으로 배출되는 폐기물로부터만 코발트를 추출한다고 해도, 폐가전제품 4,000대에서 약 55톤의 코발트(26억 원)를 회수 가능
○ 국내 폐금속자원 회수 기술 수준은 전체적으로 선진국의 약 30~40% 수준으로 평가되고 있으며, 낙후된 기술과 인프라 미흡등으로 영세한 업체들로 구성되어 경쟁력이 부족한 상태
○ 기존 습식기술을 이용한 코발트 회수 공정으로는 환경부하와 에너지 소비가 높아 머지않은 미래에 경쟁력을 잃게 될 것으로 예상
○ 공정 최적화와 과감한 신기술 도입으로 환경부하 저감 및 저에너지 소비형 회수공정 개발 필요. 더불어 공정배출물의 환경성도 고려하여 단위공정 폐액의 재처리 기술에 대한 확보 요구
○ 코발트 회수 대상 제품군은 국내ㆍ외적으로 코발트의 활용도가 높은 리튬배터리, 산업용 촉매 및 초경공구로 선정
○ 개발 대상기술은 폐자원 종류/용도에 따른 세부 모듈공정 기술, 저공해/저에너지 코발트 회수 기술, 파일롯 스케일 세부 모듈공정 사스템화 기술의 개발을 대상으로 함
핵심개발 기술의 의의
○ 기존의 방법에서 벗어나 유기산을 사용하여 친환경적으로 코발트를 회수함
○ 공정의 단순화를 위해 혼합산이라는 새로운 공정기술을 개발 하였으며, 높은 회수율을 확보함
○ 회수된 코발트로 소재화하여 전기화학적 특성을 확인하였으며, 문헌값의 90% 수준으로 촉매의 가능성을 확인
○ 에너지 저감형 코발트 금속 채취 공정으로 전해액 내 첨가제 투입으로 전해 공정 개선
○ 기존에는 국내에서 폐초경공구 재생이 거의 이루어지지 않았음. 기존 기술은 폐초경공구를 WC와 Co의 혼합물로서 재생하나, 본 연구개발을 통해 고부가가치의 Co만을 금속소재화 하는 친환경 습식/전해회수 기술을 확보함.
○ 폐촉매로부터 침출→용매추출→탈거를 통해 회수한 코발트와 몰리브덴용액에서 각 금속의 순도는 99%이며, 회수율도 99%이상임. 또한 CoC2O4와 CaMoO4 분말제조시 계면활성제를 첨가하지 않고서도 반응온도와 pH의 조절을 통해 분말의 형상의 제어가 가능한 제조기술 개발. 또한 침출액으로 사용한 염산도 회수하여 환경적으로 유해한 폐수의 배출이 10% 이내로 유지될 수 있는 친환경적인 습식공정을 개발함
적용 분야
○ 폐자원으로부터 유가금속을 회수하여 재자원화하는 산업분야 전반에 적용되는 공정 기술
- 유용자원 침출, 분리ㆍ정제, 고순도화 및 회수·재소재화 공정 전반및 모듈 공정에 적용
○ 코발트 소재를 활용한 부품소재 제조산업에 적용되는 소재화 기술
- CoSO4 : 표면처리(도금)용 코발트화합물 등
- CoC2O4 및 Co3O4 : 리튬배터리전극의 전구체
- LiCoO2 및 Li(NixCoyMnz)O2 : 리튬배터리로 직접 활용
- Co metal : 기초 금속 소재 관련 활용
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