리튬 이온 배터리 재활용

리튬 이온(Li-ion) 배터리의 재활용에는 다 쓴 배터리를 수거 및 분류하고, 안전을 위해 방전한 다음 분해하여 부품을 분리하는 작업이 포함됩니다. 세포를 분쇄하고 파쇄한 후 결과물을 체로 걸러서 분류하여 귀중한 원소를 분리합니다. 

파쇄 및 체로 거르는 과정에서 발생하는 미세 분말 물질은 "블랙 매스(black mass)"로 알려져 있습니다. 여기에는 리튬, 코발트, 니켈 및 망간과 같은 유용 금속이 들어 있습니다. 이 블랙 매스는 습식 야금 방법(침출, 용매 추출 및 침전 포함) 또는 건식 야금 방법(제련 및 정제 포함)을 통해 이러한 금속을 회수합니다. 

보다 효율적인 재활용 기술에는 종종 건식 야금과 습식 야금이 결합된 하이브리드 접근법이 포함됩니다. 그런 다음 회수된 금속을 재사용하여 새 배터리의 전극 물질을 생산합니다.

그러나 LIB가 모두 동일하지 않기 때문에 블랙 매스를 재활용하는 것은 어려울 수 있습니다. 특히 NMC(니켈, 망간, 코발트)와 LMFP(리튬, 망간, 철, 인산염)의 두 가지 유형의 탁월한 화학 물질이 있습니다. NMC 내에는 NCM111, NMC622, NMC811 등의 변형 라인이 있으며, 숫자는 각 요소의 상대적인 원자 비율을 나타냅니다. 마찬가지로, LMFP에는 다양한 양의 망간이 있을 수 있습니다. 가변적인 화학적 성질로 인해 재활용 공정에 투입되기 전에 블랙 매스를 적절히 특성화하고 등급을 매겨야 합니다.

이러한 가변적인 화학적 성질은 리튬 이온 배터리 재활용을 위해 유입되는 배터리 유형에 대한 관리가 제한적일 때가 많다는 것을 의미합니다. 따라서, 배터리 재활용을 위한 전처리 과정에는 유입되는 배터리의 화학적 성질과 결정 단계에 대한 평가가 포함되어야 합니다. 당사의 X선 및 중성자 기반 솔루션은 화학 조성과 결정상 분석 모두를 통해 이 공정을 지원할 수 있습니다. 

또한, 습식 야금 침출(hydrometallurgical leaching) 공정의 효율성은 통합 불순물 분석을 포함한 당사의 온라인 및 실험실 기반 XRF 솔루션을 사용하여 평가할 수 있습니다. 또한 당사의 입도 분석기는 블랙 매스에서 완제품에 이르는 재활용 공정 전반에 걸쳐 입도를 측정하는 데 사용할 수 있습니다.

추출된 블랙 매스의 원소 조성은 CNA 교차 벨트 분석기를 사용하여 온라인으로 분석하거나 XRF 시스템용 제품군을 사용하여 오프라인으로 분석할 수 있습니다. 

온라인 교차 벨트 원소 분석: 재활용 배터리의 가변 화학적 성질은 추출된 블랙 매스가 이질적인 물질이라는 것을 의미하며, 대량의 물질을 대표하지 않는 작은 샘플의 실험실 분석을 만듭니다. 교차 벨트 온라인 분석기는 산업 규모에서 추출된 대량의 블랙 매스를 분석하여 전체 물질의 평균 조성을 제공할 수 있습니다. 펄스 고속 열중성자 활성화(PFTNA) 전환 가능한 중성자 기술을 기반으로 하는 당사의 CNA Pentos 교차 벨트 분석기는 유입되는 블랙 매스에서 Ni, Co, Mn, Fe, P 등과 같은 모든 주요 원소에 대한 직접 대량 측정을 제공합니다. 

CNA는 벨트의 벌크 물질에 대한 고주파 온라인 원소 분석을 제공합니다. 컨베이어 벨트에서 실시간으로 물질을 측정하기 때문에 샘플링이 필요하지 않습니다. 컴팩트하고 견고한 디자인으로 벨트 아래에 완전히 장착되어 있어 추출된 블랙 매스에서 흔히 발생하는 벨트 하중과 입자 크기의 변화는 시스템 성능에 영향을 미치지 않습니다. 이 핵심 설계 기능은 효율적인 공정 관리를 위해 안정성과 대표성을 제공합니다.

X선 형광(XRF)은 실험실이나 공정 근처에서 흑색 덩어리를 분석하는 데 사용할 수 있는 또 다른 기술입니다. X선 형광(XRF)은 사용한 배터리의 원소 구성을 높은 정밀도로 신속하고 정확하게 분석하여 배터리 재활용 프로세스를 크게 지원합니다. 높은 정밀도 덕분에 재활용 업체는 리튬, 코발트, 니켈, 망간과 같은 귀중한 물질을 식별하고 정량화하여 회수 프로세스를 최적화할 수 있습니다. 또한 회수된 재료의 품질을 모니터링하여 재사용 사양을 충족하는지 확인할 수 있습니다. 또한 XRF는 위험 요소를 감지하여 안전한 취급 및 폐기를 용이하게 합니다.

주요 원소의 경우 XRF는 시료 희석이나 산 분해가 필요하지 않기 때문에 ICP보다 원소 구성을 측정하는 더 간단하고 정확한 방법을 제공합니다.

많은 주요 배터리 회사에서는 당사의 벤치탑 Epsilon 4 EDXRF 또는 Zetium WDXRF 분광계를 사용하여 재활용 재료를 분석합니다. 또한 높은 정확도와 정밀도로 흑색 덩어리의 원소와 불순물을 분석할 수 있는 고성능 EDXRF인 Revontium 제품군도 출시했습니다.

XRF 분석의 정확성은 보정 표준의 품질에 따라 결정됩니다. Malvern Panalytical은 Eagon 2 또는 FORJ 샘플 융합 시스템과 함께 정확한 정량적 원소 분석을 위한 완벽한 레시피를 제공할 수 있는 자체 인증 검량 표준물질을 개발했습니다. 

그림 1(오른쪽): Epsilon 4 XRF 분석기에서 측정된 NCM 기준 표준을 사용하는 일반적인 Ni 교정 라인 

열수 추출에서 침출액의 원소 조성 분석은 금속 추출 효율에 대한 귀중한 정보를 제공할 수 있습니다. 이는 당사의 XRF 분석기 Xflow 제품군과 함께 분석할 수 있습니다. 

Epsilon Xflow를 활용하면 온라인 방식으로 액체를 분석하여 공정 매개변수를 빠르고 정확하게 제어할 수 있습니다. 

Epsilon Xflow는 실시간 데이터 통찰력을 제공하여 생산 공정을 더욱 효율적으로 관리하고 운영 비용을 절감할 수 있도록 지원합니다.

배터리 재활용 전처리 공정 배터리 물질의 결정상에 의해 영향을 받을 수도 있습니다. 또한, 결정상 분석에서는 X선 회절 기법을 선택할 수 있습니다. 뛰어난 데이터 품질을 가진 사용하기 쉬운 장비인 Aeris 소형 X선 회절계를 사용하여 블랙 매스와 재활용 배터리 물질의 결정상 조성을 정확하게 분석할 수 있습니다. 

그림 2: 당사의 Aeris 회절분석기에서 측정된 블랙 매스 결정상의 일반적인 XRD 분석

입자 크기와 모양은 블랙 매스에서 완제품 출력물에 이르기까지 배터리 재활용의 전체 가치 사슬에서 중요한 역할을 합니다. 열수(hydrothermal) 추출 시 금속의 효율적인 침출을 위해 블랙 매스는 특정 입자 크기로 분쇄해야 합니다. 

많은 재활용 회사에서 배터리 전구체 또는 전극 물질을 최종 제품으로 생산하며, 입도와 형상이 중요한 품질 매개변수로 사용됩니다.