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알림마당 보도자료 Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
ICT기반 기술로 블랙파우더에서 양극재 물질 찾아낸다!
  • 작성자홍보실
  • 작성일시2023/02/01 09:59
  • 조회수1,053
ICT기반 기술로 블랙파우더에서 양극재 물질 찾아낸다!

▶ 폐리튬이온배터리의 블랙파우더에서 양극재 물질 98% 이상 분리‧선별‧회수에 성공
▶ 기존 공정과 ICT기술을 융합한 부유선별 공정 상태 인식 시스템 및 제어 알고리즘 적용

□ 전기차 배터리로 대표되는 이차전지의 수요가 급증하면서 폐배터리에서 핵심 원료물질을 분리‧선별하고 회수할 수 있는 기술 이 주목받고 있다.

□ 한국지질자원연구원(원장 이평구, KIGAM) 자원활용연구본부  유광석 박사 연구팀은 폐리튬이온배터리의 해체 과정에서 나온 블랙파우더에서 양극재 물질을 분리‧선별해 회수하는 공정 개발에 성공했다.
    * 블랙파우더(Black Powder): 폐배터리를 셀(cell)단위까지 분리하고 잘게 분쇄해서 나오는 가루로 리튬‧니켈‧코발트 등의 유용 금속들을 추출할 수 있다.

□ 폐리튬이온배터리의 분쇄를 통해 나오는 블랙파우더는 양극재인 리튬금속산화물(Li-Metal Oxide, Metal: 니켈, 코발트, 망간 등)과 음극재인 흑연, 금속 전극(Foil)인 알루미늄과 구리, 소량의 전해물질(Electrolyte solution)과 카본블랙, 결합재(Binder)로 구성된다.
    * 카본블랙(Carbon black): 탄소를 함유한 화합물을 산소가 불충분한 상태에서 연소시켜 만들어지는 흑색 안료로 그을음과 유사하며 입자크기는 1~500 밀리마이크론으로 흑연과 비슷하다.

□ 블랙파우더 내 단체분리된 양극재의 입자 크기는 20마이크로미터 이하로 일반적인 부유선별 과정에서 비말동반(Entrainment) 현상으로 양극재의 손실이 발생한다.
   * 부유선별(浮遊選別, Flotation): 분쇄된 광물의 표면 특성(친/소수성)을 이용하여 기포에 부착시켜 물 위에 띄우거나 남겨 둠으로써 광물 간 분리가 일어나는 일종의 습식 선별 방식이다.
   * 비말동반(Entrainment): 부유선별에서 미립의 입자(20마이크로미터 이하)가 기포 층에 물과 함께 유입되어 운반되는 현상

□ 유광석 박사 연구팀은 광물 선별 방법인 부유선별 공정을 활용,‘폐리튬이온배터리의 블랙 파우더에 함유된 양극재 물질을 회수하는 공정 및 운영 기술’을 개발했다.
ㅇ 특히 20마이크로미터 이하인 양극재의 비말동반 현상에 따른 손실을 최소화하기 위해 부유선별 공정 회로와 최적의 광액 농도, 반응(체류)시간, 입자 유동, 기포 층 두께 등을 제어하는 운전 조건을 개발했다.
   * 광액(Pulp): 부유선별에서 광석 알갱이를 포함한 물, * 광액 농도(Pulp density): 광액 내 광석 알갱이 양의 정도

□ 이를 바탕으로 연구팀은 폐리튬이온배터리의 블랙 파우더에 함유된 양극재 물질의 98% 이상을 회수하는데 성공했다.
ㅇ 선별된 양극재 물질은 리튬‧니켈‧코발트‧망간 등 리튬금속산화물과 금속 전극인 알루미늄 및 구리다.

□ 연구 공정의 핵심 제어 인자는 광액 농도, 광액의 투입량과 배출량(속도), 교반속도, 시약 투입량, 공기 투입량 등이다. 이러한 핵심 공정 인자는 ‘ICT기반의 부유선별 제어 기술’을 적용해 최적의 상태로 유지할 수 있다.
ㅇ ‘ICT기반의 부유선별 제어 기술’은 부유 선별기 내 기포와 광액의 물리·화학적 특성값을 디지털 신호화해 핵심 공정 인자를 제어하는 기술이다.
  * 교반속도: 액체 등을 섞어서 균일하게 만들 때의 회전속도

□ 이번 기술 개발의 성공으로 국내 재활용 기업들이 블랙파우더에서 나온 양극 물질로부터 리튬 등 삼원계(니켈‧코발트‧망간 등)를 회수하는 고순도화 정제공정의 효율성과 생산성을 높이고 운영비 절감에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 

□ 이번 기술개발을 주도한 유광석 박사는 ”이번에 개발한 기술과 공정은 중국 등 해외 기업과의 기술 차별성 바탕으로 국내 기업의 경쟁력을 확보하는 데 크게 기여할 것이다”고 말하며, “이번 기술을 고도화해 국내 기업에 이전 및 상용화하고 지속적인 기술 지원을 통해 국가 배터리 산업 경쟁력 확보에 최선을 다하겠다”라고 밝혔다.

□ 한국지질자원연구원 이평구 원장은 “광물자원의 재활용은 이제 친환경이라는 수식어가 필수적으로 들어가야한다.”고 강조하며, “모두가 안심하고 활용할 수 있는 친환경 자원활용 기술 개발과 핵심광물 확보를 위해 지원을 아끼지 않겠다.”고 말했다.  

□ 한편, 유광석 박사 연구팀은 ㈜GS건설(에너지머트리얼즈(주))과 블랙 파우더 내 양극재 회수를 위한 부유 선별기 형상 설계 및 실증화 기술을 기술이전 통해 추가로 진행할 예정이다. 

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