사용 후 이차전지의 고회수율 재활용 공정 개발 및 회수 니켈의 소재화 연구 - 정항철 (The Graduate School, Ajou University, 2022)
이차전지의 발달로 인해 휴대용 기기 산업이 확대되는 계기가 됐으며, 첨단 산업인 전기자동차, 모바일 IT, 지능형 로봇, 친환경 신재생 에너지 등의 발전에 따라 산업의 핵심부품인 이차전지의 기술적 발전이 요구되고 있다. 이차전지 시장은 사용 환경에 따라 니켈 기반 이차전지에서 고에너지 밀도 및 소형화가 가능한 리튬이차전지로 빠르게 대체되고 있다. 이차전지 응용 분야의 확대를 위해서 고에너지화, 고출력 및 저가격화 등을 위한 소재 분야의 산업 경쟁력이 핵심요소로 부상하고 있다. 이차전지 양극소재는 수입 의존도가 높은 고가의 전략 소재인 니켈, 코발트 등이 주로 사용되기 때문에 소재의 자립화 및 확보 방안을 위한 재활용 기술이 요구된다. 이차전지 재활용 산업의 경제성을 확보하기 위해서는 회수된 소재의 고부가가치화가 필수적이며, 희유금속의 회수를 통한 선순환형 재활용 기술이 요구된다. 이를 위해 이차전지로부터 유가 금속의 고효율 추출, 재활용 소재의 불순물 제어, 유해성 물질 처리 및 회수 자원의 소재화 기술이 필요하다. 니켈은 전기자동차 및 에너지저장시스템 시장이 기하급수적으로 확대됨과 동시에 IT 기기의 보급량 확대로 인한 칩 부품 등의 사용량 급증으로 중요성이 높아지고 있는 소재이다. 또한 고출력 수요증가에 따른 하이니켈 소재의 적용으로 니켈 수요가 증가하는 추세인 것과 더불어 전기자동차의 주행거리 증가를 위해 셀 규모도 확대되고 있어서 니켈 소재의 안정적인 확보가 요구된다. 본 연구에서는 사용 후 니켈-카드뮴 이차전지 재활용 공정의 효율성 확보를 위한 전처리 및 불순물 제어를 통한 고회수율 후처리 공정에 대해 연구하였으며, 재활용 공정을 통해 회수된 니켈 소재의 고부가가치화를 위해 테일러 반응을 이용한 리튬이차전지 양극소재용 NCM 전구체를 제조하였다. 이차전지의 물리적 전처리 공정은 목적 금속이 포함되어 있는 부품에 대한 분리 및 해체 공정을 진행하고 슈레더 및 커팅밀을 적용하여 파분쇄 공정을 통한 대량 처리 기술을 기반으로 효율성 및 경제성을 확보하였다. 니켈-카드뮴 이차전지의 유해성분인 카드뮴 제거를 위한 황화물 침전 공정 연구를 통해 황화나트륨을 침전제로 적용하여 전극 성분의 침출 용액으로부터 3N급 순도를 갖는 황화카드뮴 분말로 96.7%의 카드뮴을 회수하였다. 니켈의 회수를 위한 용매 추출 연구에서는 추출제로 C272를 사용하고 O/A= 1, pH5, 추출 단수 3단 조건에서 코발트 성분을 효과적으로 제거할 수 있었으며, 니켈 30,010 ppm 순도의 황산니켈 용액으로 99.7%의 니켈을 회수하였다. 본 연구의 재활용 공정을 통해 99.96%의 고순도 황산니켈 수화물을 제조하였으며, 사용 후 이차전지로부터 니켈 성분의 92% 이상을 회수하였다. 재활용된 황산니켈 수화물을 원료로 하여 테일러 반응을 이용한 NCM 전구체 합성 연구에서는 교반속도 및 반응 시간이 증가할수록 입자 크기 및 분산도가 증가하였다. 교반속도 1,000 rpm 및 pH 10.5 조건에서 24 시간 동안 테일러 반응한 경우, span 값 0.9의 고분산을 갖는 평균 입경 12.1 ㎛ 크기의 구형 NCM622 전구체를 제조할 수 있었다. 또한 반응 온도 및 pH를 증가시킨 조건에서 합성한 NCM811 전구체 연구에서 20시간 이상 테일러 반응한 경우, 평균 입경 13 ㎛ 크기의 단분산 전구체를 합성할 수 있었다. 본 연구는 사용 후 이차전지의 선순환 자원 재활용 기술을 연구하였다. 본 재활용 공정은 폐기물 처리 중심의 제한적 기술에서 벗어나 고효율 선별 분리 및 고부가가치 자원화 기술, 친환경 무배출 시스템, 전후방 산업과의 연계형 융복합 기술을 통한 자원순환 통합 기술로 판단된다. 이차전지 재활용 기술에 대한 실증화 기술이 요구되는 상황에서 효율성이 확보된 자연 친화형 재활용 공정을 기반으로 안정적인 수거 방안, 공정의 경제성 확보 및 회수 금속의 고부가가치 소재화를 통한 고효율 자원 재활용 연구에 많은 노력이 필요할 것으로 보인다.
학위논문(박사)--아주대학교 일반대학원 :재료공학과,2022. 2
Keywords: NCM; 니켈; 이차전지; 재활용; 테일러 반응