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2022년 12월 17일 (토) 23:10 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 리튬이온전지의 전해질염과 아세트산의 반응을 이용한 리튬 추출 및 유해가스 처리에 관한 연구 ..

영문 : Extraction of Lithium by-products from electrolyte salt using acetic acid without emitting toxic gases..

과제 팀명

플리..

지도교수

정철수 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 김**(팀장)

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 정**

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 조**

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 이**

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 남**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 대부분의 폐배터리 재활용 공정은 환경에 해로운 무기산을 사용하여 양극재 속 유가금속을 추출하는 것에 주로 초점이 맞춰져 있다.
◇ 폐전해질 재활용에 대한 연구가 미흡하고 재활용과정에서 발생하는 유해가스를 처리하는 연구도 거의 이루어지지 않고 있다.
◇ 본 과제에서는 친환경 유기산을 사용하여 의 Li을 로 의 F를 의 형태로 회수한다.

개발 과제의 배경

◇ 일반적으로 사용한 리튬이온배터리는 생활폐기물로 매립, 소각 등의 방법을 통해 처리된다. 이 과정으로 인해 매립지에서는 중금속이 토양, 지하수 또는 지표수로 침출될 가능성이 있으며 소각 과정에서 배터리에 포함된 중금속이 금속 형태로 전환되어 수질 오염을 유발할 수 있어 폐배터리 재활용이 필요하다.
◇ 리튬이온배터리에 사용되는 원료들은 리튬, 코발트, 니켈, 망간 등 광석에서 추출되는 금속으로 생산국이 적으며 추정 매장량이 적어 향후 몇 년간 원료 수급에 문제가 생길 것으로 예상된다.
◇ 대부분의 배터리 재활용은 양극재에서의 금속 추출에 초점이 맞춰져 있음. 일반적으로 배터리를 파쇄하여 내부 물질을 입자화해 공정을 통해 추출한다. 이 과정에서 전해질에 있는 육불화인산리튬()이 공기 중 수분과 반응하여 불화수소(), 오플루오린화 인() 등의 독성 가스를 배출함. 이를 해결하기 위해 전해질에서의 유가 금속 추출과 독성 가스 처리가 필요하다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 폐배터리 전해질 속 육불화인산리튬()이 아세트산과 반응하여 대기중에서 반응성이 낮은 상태의 유용한 리튬염을 얻도록 한다.
◇ 재활용 과정에서 나오는 독성 가스를 수산화나트륨 수용액((aq.))을 이용해 처리하도록 한다.
◇ 폐배터리 재활용 과정에서 사용되는 무기산이 아닌 환경에 덜 해로운 유기산을 사용하여 독성 가스 배출양을 줄이고 폐수 처리를 용이하게 한다.
◇ 실제 리튬이온배터리 재활용 공정에서 사용 가능성을 판단하고 적용하는 데 필요한 추가적인 요소에 대해 논의한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 기업 측면: 수집 및 전처리 후 습식제련을 통한 고순도 배터리용 소재 생산 (성일하이텍)

◇ 연구 측면: 젖산과 옥살산을 이용해 폐 이차 리튬이온 전지 양극활물질로부터 희유금속들의 회수

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 로디아 오퍼레이션스. 전해질 염을 회수하는 방법. 10-2017-0018048, June 16, 2015 and issued February 15, 2017
◇ 폐리튬이온 2차전지의 양극재로부터 리튬을 회수하여 고순도 탄산리튬을 제조하는 방법. 10-1682217, Sep 02, 2016 and issued November 28, 2016

• 기술 로드맵

◇ 양극재가 아닌 전해질 환경에서의 연구
◇ 재활용과정에서 유해가스처리 공정을 추가
◇ 재활용과정에서 발생하는 폐기물 최소화
◇ 환경에 이로운 유기산을 사용하여 효율 극대화

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 전해질에서의 리튬추출을 통해 전체 배터리 재활용공정에서의 리튬 회수 수율을 높일 수 있다.
◇ 전처리과정이 필요하지 않아 기존의 재활용 공정보다 간단한 처리공정이 될 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 본 연구에서 전해액 속 리튬을 추출하여 최종적으로  형태로 리튬을 회수함으로서 불안정한 수급으로 인한 가격 상승을 해결하고 리튬 이온 배터리 공급을 안정화할 수 있다.
◇ 본 연구의 최종 product인 의 경우 실험실에서 DNA와 RNA의 겔 전기영동을 위한 완충제로 사용되며 세포벽을 투과시키는 데 사용하는 등 세포 및 DNA 연구에 중요한 역할을 한다.
◇ 폐배터리의 수거 및 재활용을 통하여 배터리 원료를 채굴하기 위해 사용되는 물 (리튬 1톤에 약 230만 리터)을 아낄 수 있으며 폐배터리 처분과정에서 발생할 수 있는 문제들을 예방할 수 있다. 
◇ 본 연구에서는 보다 친환경적인 용매를 사용하여 리튬을 추출하고 독성물질을 처리하는 공정을 추가하여 보다 환경 친화적인 리튬추출방안이 될 것으로 예상된다. 

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 김아현 : 반응조건 실험1 및 실험 결과분석 담당
◇ 함이수 : 반응조건 실험2 및 최종보고서 작성
◇ 안이재 : 반응조건 실험3 및 최종보고서 작성

설계

설계사양

설계 사양

◇ 100mL 3 neck 플라스크를 이용해 위로는 콘덴서를 설치하여 기화하는 아세트산을 냉각시키고 한 쪽으로 Ar 기체를 주입하여 반응 중 생성되는 기체가 NaOH 수용액(1M) 안으로 들어가도록 설계하였다. 

◇ 실험조건
  Reaction time : 3 hour
  Reaction temperature : 80 ℃, 100 ℃
  Reaction molar ratio :  1 : 2 , 1 : 4

◇ 예상 메커니즘

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

파일:전해질.png

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

현재 폐 리튬이온 배터리 재활용 공정은 대부분 배터리를 분해, 파쇄하여 전극에서 Li, Co, Ni 등의 유용한 금속을 추출하는 것에 초점이 맞춰져 있고 전해질은 배터리 내 차지하는 비율이 작기 때문에 전해질의 주요 성분인 는 거의 추출하지 못하고 있다. 따라서 본 연구는 상대적으로 연구가 많이 진행되지 않은 전해액에서 리튬을 친환경적으로 추출하는 방법에 대해 연구하였다. 대부분의 재활용 공정에서 사용하는 무기산을 유기산인 acetic acid로 대체하여 리튬염을 상온에서 안정한 고체 형태로 수득하였고 공정에서 발생하는 HF가스를 NaOH수용액을 이용하여 NaF로 고체화하였다. NaF는 steady state에서 고체 상태이며 다양한 분야에서 플루오린 이온을 공급하는데 쓰이며. 살충제, 목재 방부제, 유리 제조 등에 사용된다. NaOH를 이용하여 HF를 NaF형태로 수득하게 되면 여러 분야에서 사용할 수 있을 것이다.

본 연구를 통해 공정에서 사용하는 무기산을 유기산으로 대체하여 용매의 회수를 용이하게 만들 수 있고 유독 가스를 고체화하여 친환경적인 공정을 설계할 수 있음을 확인하였다. 또한 배터리내의  이외의 다른 리튬염에도 공정을 적용한다면 폐배터리의 다른 구성물질인 분리막, 전극을 효율적으로 재활용하여 유용한 금속들의 회수율을 높일 수 있어 긍정적 효과를 가져 올 것으로 예상된다.  

특허 출원 내용

내용