보고서 정보
주관연구기관 |
한국지질자원연구원 Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources |
연구책임자 |
김홍인
|
참여연구자 |
권경중
,
정슬
,
문남일
,
이강명
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2021-04 |
과제시작연도 |
2021 |
주관부처 |
환경부 Ministry of Environment |
등록번호 |
TRKO202200004641 |
과제고유번호 |
1485017848 |
사업명 |
글로벌탑환경기술개발사업(R&D) |
DB 구축일자 |
2022-07-16
|
키워드 |
폐 리튬이차전지.전기자동차.에너지저장장치.선별.유가금속.Spent Lithium-ion Battery.Electric Vehicle.Energy storage system.separation.valuable metals.
|
초록
▼
연구의 목적 및 내용
· 현재 자동차용 대형 리튬이온전지 생산에 필요한 리튬, 코발트, 니켈, 망간 등과 같은 전략광물의 원자재 수급 불균형을 초래하여 원자재 가격상승 가능성이 크며 리튬이차전지 재활용을 통하여 유용자원의 국내 확보가 가능하여 국내 전지산업의 활성화와 전지 제조 산업의 경쟁력을 높일 수 있어 폐 리튬이차전지를 재활용함으로써 산업-경제적 측면 및 환경적 측면에서 매우 중요함
연구개발 성과
· 15,000대/년 방전, 파쇄, 해체기술 실증화 플랜트 설계 제작하여 시운전을 통하여 방전, 해체, 파쇄
연구의 목적 및 내용
· 현재 자동차용 대형 리튬이온전지 생산에 필요한 리튬, 코발트, 니켈, 망간 등과 같은 전략광물의 원자재 수급 불균형을 초래하여 원자재 가격상승 가능성이 크며 리튬이차전지 재활용을 통하여 유용자원의 국내 확보가 가능하여 국내 전지산업의 활성화와 전지 제조 산업의 경쟁력을 높일 수 있어 폐 리튬이차전지를 재활용함으로써 산업-경제적 측면 및 환경적 측면에서 매우 중요함
연구개발 성과
· 15,000대/년 방전, 파쇄, 해체기술 실증화 플랜트 설계 제작하여 시운전을 통하여 방전, 해체, 파쇄, 분리 공정 기술개발 확립
· 잔류 전기로 인한 (전기방전 후 셀: 전압 1V~5V, 약 1A)폭발, 화재를 방지하여 기계적 파쇄 적용을 위한 물리적 방전시스템(커팅 방전기)도입
· 기계적 파쇄로 처리용량이 증대되어 인건비 절감 효과 및 유해가스 처리등의 부가적인 효과가 있음
· 입고된 팩(전기용량: 200V~300V, 약 10A)을 전기 방전 후 커팅 방전으로 시간당 2톤 이상의 처리용량으로 기계적 파쇄 분리 라인 적용 공정 개발완료
· 15,000대/년 처리 용량을 갖기 위해서 사용량이 많아지는 알루미늄 캔타입 셀 해체 자동화 설비를 시작품으로 제작하였음.
· 전지 외 구성물질(팩 케이스, 플라스틱, 셀 케이스 등)의 단가를 확인하였으며 고부가가치를 위한 처리 방안 마련되었음
· 탄산리튬의 불순물을 세척공정 및 재결정공정으로 고순도 전지급 탄산리튬을 제조하였음
· 참여기업인 성일하이텍의 침출용액으로부터 이차전지용 화합물을 제조하여 입자크기 6~14㎛ 확보, 전지용량 180mAh/g 이상 확보하였음
1. 전기 자동차 폐 리튬이온전지 재활용 공정도
2. 전기 자동차용 폐 리튬이온전지 방전공정(전기방전, 물리적 방전)
3. 자동차용 폐 리튬이차전지 파쇄 분리 일괄공정 설비
4. 캔타입 배터리 자동해체 설비
5. 물리적처리 및 유가금속회수 공정 최적화
5. 개발된 이차전지용 화합물을 이용하여 합성한 양극소재의 수명특성 비교도
5. 개발된 이차전지용 화합물을 이용하여 합성한 양극소재의 초기 충방전 결과
· 방전/해체/파쇄/분리 일괄 공정패키지기술을 적용한 폐리튬이온전지 재활용 시스템(50대(10-30kWh)/일) 구축
· 전기자동차용 대용량 폐 리튬이차전지 팩 해체 공장 가동으로 연간 15,000대 해체가 가능한 공정을 설계하였음
· 연구개발 1단계의 해체공정을 확대, 개선하여 연간 15천대를 해체할 수 있는 해체라인을 설치하고 물리적 처리에 의한 재질별 완전한 분리를 통하여 기계적 선별시스템을 구축하여 분리도를 높였으며 파쇄, 분쇄, 분리, 습식공정을 바탕으로 전기차용 폐 리튬이차전지의 재활용 상용화기술을 완성하였음
· 고전압의 대용량 폐리튬이온전지 해체를 위한 사전 작업으로, 전기적 방전 공정 개발(10대 팩 동시 방전 및 팩당 5시간내 방전 완료, 50대/일 처리)
· 2.03톤/시 셀 처리 가능한 커팅 방전시스템 개발(1톤당 20-30분 소요), 잔류 전기 완전 방전 및 기계적 해체 전처리를 통한 경제적 방전/해체 공정 설계
· 시작품으로 제작된 알루미늄 캔타입 해체 자동화 설비는 최근 생산량이 매우 증가하여 재활용 필요성이 증가되고 있는 캔형 배터리를 보다 안전하고 효율적으로 재활용할 수 있는 해체 장치임
· 전지외 구성 물질인 BMS, PCS 자원화를 위해 해체 분리 공정을 수행하여 금속자원과 플라스틱 자원화의 가능성을 확인하였음
· 고온고압 침출반응기를 활용하여 양극활물질 유가금속 침출율을 95% 이상 달성하였으며 철은 침전되어 분리되었음
· 고온고압 반응기를 이용한 탄산리튬 정제공정에서 80% 이상의 Na를 제거할수 있었음
· 황산니켈용액으로부터 고온고압 반응기를 이용한 니켈 직접 환원 공정에서 99.98%의 회수율을 얻을 수 있었음
· 폐 리튬재활용 공정 중 발생하는 리튬용액으로부터 리튬을 회수하여 고순도 탄산리튬으로 제조하는 공정을 개발하였으며 상용 플랜트 연구를 위한 기초 연구결과가 완성
연구개발 성과의 활용계획
· 대용량 폐 리튬이차전지를 재활용 시 리튬이차전지 생산에 필요한 원료의 수입을 절감할 수 있으며 제조 공정 폐기물의 재활용 시 원가 경쟁력을 높일 수 있어 산업 활성화에 기여할 수 있으며 현재 전량 수입되고 있는 리튬이차전지 원료를 재활용을 통해 확보함으로써, 국내 수요량의 일부를 대체할 수 있어서 수입대체 효과에 이바지할 수 있을 것임
· 폐 리튬이차전지 재활용 사업을 추진함에 있어서 가장 중요한 것은 제조원가를 낮춰 시장경쟁력을 높이는 것이다. 따라서 폐 리튬이차전지 재활용에서 유가금속인 니켈, 코발트, 망간 등을 추출, 분리하고 남은 여액은 폐수로서 발생되며 고가의 수 처리비용을 들여 처리하여야 하지만, 본 과제의 개발기술은 이러한 공정여액을 이용하여 우리나라에서는 자원이 전무한 리튬을 추출하여 고가의 양극소재를 제조하고자 함
· 자동차용 대용량 리튬이차전지의 전기적 방전, 해체, 물리적 방전공정 적용을 통한 재활용 설비 등의 자동화 적용으로 국내외 자동차용 리튬이차전지를 대상으로 해체 및 재활용에 대한 기술경제성 평가를 수행하여 기술 개발할 예정임.
· 현재 개발되어지고 있는 자동차용 리튬이차전지의 다양한 형태의 셀, 팩 등의 해체 기술을 개발하여 현재까지 개발된 기술을 적용하여 대체가능하기 때문에, 향후 경제성 있는 기술개발을 통하여 참여 업체와 기술 수출의 판로를 개척할 예정임.
· 해외 리튬이차전지 기술 진행의 동향을 파악하고 글로벌 경쟁력 비교ㆍ분석을 통하여 과제 종료 후 기술개발 결과물에 대한 업데이트 및 자동차용 전지 전처리 공정 선진화 기술개발을 통하여, 개발 기술의 해외 시장 진출에 활용할 예정임.
· 우리나라에서는 리튬자원이 전혀 없기 때문에 탄산리튬 및 기타 리튬화합물을 전량 외국에서 수입하고 있다. 본 개발기술이 확립되고 사업화한다면 리튬소재 제조업이라는 새로운 사업 분야가 생겨나고 그에 따른 일자리 창출 효과를 기대할 수 있다.
또한 리튬소재의 국내 생산으로 유리, 의약품, 첨가제, 양극재, 음극재, 리튬전지 등 관련 업계에 안정적 리튬소재 공급에 기여함으로서 보다 활발한 사업 추진이 이뤄질 수 있을 것임
· 계속적인 해외 선진기술의 동향을 파악하고 글로벌 경쟁력 비교ㆍ분석을 통하여 과제 종료 후 기술개발 결과물에 대한 업데이트 및 계속적인 폐가전제품 전처리 공정 선진화 기술개발을 통하여, 개발 기술의 해외 시장 진출에 활용할 예정임.
(출처 : 요약문 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제출문 ... 3
- 요약서 ... 4
- 요약문 ... 5
- 목차 ... 11
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 12
- 1-1. 연구개발 목적 ... 12
- 1-2. 연구개발의 필요성 ... 12
- 1-3. 연구개발 범위 ... 20
- 2. 연구수행 내용 및 성과 ... 22
- 2-1. 연구 내용 ... 22
- 2-2. 연구개발 성과 ... 26
- 2-3. 연구결과 ... 82
- 3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 84
- 3-1. 목표 ... 84
- 3-2. 목표 달성여부 ... 86
- 3-3. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) ... 89
- 끝페이지 ... 90
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.