리튬이차전지 번역(한국어 원본)1. HEV용 리튬이차전지 폐모듈 재활용을 위한 물리적 처리
□ 시료 : 현대 아반떼 Hybrid Electric Vehicle(HEV) 배터리 팩(pack)
현대 아반테 HEV에서 발생되는 폐배터리 팩을 조사한 결과, 팩은 72V/60A로 6개의 단위 모듈이 직/병렬로 연결되어 있고 이러한 단위 모듈은 8개의 단위 셀, 4개의 발열판, 모듈케이스로 이루어져 있다. 표 1에 폐배터리 모듈의 구성성분 각 무게와 함량 등을 나타내었으며, 표 2에는 폐배터리 팩의 사양을 나타내었다. 표 1에서 알 수 있듯이, 폐배터리 팩의 전체 무게는 약 35 kg이며 6개 모듈의 무게는 15.3 kg, 8개의 배터리 셀은 1.8 kg, 그 외 커버 3.16 kg, BMS 1.96 kg, 인버터 14.4 kg 등 이다.
① 물리적 처리
– 그림 1에 물리적 처리공정도를 나타내었다. 물리적 처리 방법으로는 폐배터리 팩으로부터 모듈로 해체하여 모듈로부터 회로기판, 배터리 셀, 프레임으로 분리하였고, 다시 수선해체를 통하여 배터리 셀로부터 양극/음극 재료와 Al 케이스를 분리한 후, 양극/음극 재료를 증류수에 방전을 시켜 건조 한 뒤, 분리막, 양극과 음극으로 분리하였다. 양극 활물질을 회수하기 위하여 양극재료를 대상으로 분쇄/입도분리를 통하여 양극재료 내에 양극 활물질을 농축하며 이 과정에서 불순물인 Al을 분리하였다.
– 연속 분쇄/분급 장치의 목적은 리튬이온전지의 구성물질 중 양극판에 도포되어있는 양극활물질(LiNixMnyCozO2)을 회수하기 위함이며 물리적 처리를 통해 얻어진 시료의 모습에서 볼 수 있는 바와 같이 분리막이나 음극판의 경우 단일 조성을 갖는 물질이 얻어지므로 바로 재활용할 수 있으나 양극판의 경우 양극활물질인 LiNixMnyCozO2 분말이 양극집전체인 판상의 Al foil로부터 분리가 되지 않기 때문에 이를 분리 및 회수하기 위한 장치를 고안한 것이다.
② 물리적 처리(10kg/h)를 위한 연속 분쇄 및 분급장치 성능평가
– 분쇄시료
EV용 폐리튬이온전지 셀을 해체하면 아래 그림 2와 같이 가로×세로의 크기가 각각 25cm×14cm 의 양극, 음극 및 분리막이 회수된다.
– 물리적 처리과정에서 화재, 폭발의 문제가 발생할 수 있기 때문에 안정적 해체를 위한 배터리셀의 방전실험을 실시하였다. 증류수를 방전용액으로 사용하여 방전실험을 실시하여 방전과정의 전압변화를 관찰한 결과, 그림 3에서 보는 바와 같이 60분 방전조건에서 배터리 셀의 완전한 방전이 가능하였다.
– 그림 4를 보면, 방전 후 탈수기에서 5분 탈수 후 80℃의 건조조건에서 건조효율을 조사해 본 결과 10시간 건조시간에서 100% 시료의 건조가 가능하였다.
– 방전 및 건조 후 수선해체를 통해 얻어진 음극, 양극 및 분리막의 모습을 그림 5에 나타내었다.
③ 안정적 해체된 양극물질로부터 분쇄를 통한 양극활물질의 회수
– 건조 후 회수된 단위셀을 양극물질, 음극물질, 분리막으로 분리하여 음극물질은 구리제련 회사로, 분리막은 분리막 제조 회사로 판매하거나 열원으로 사용이 가능하다.
– 회수된 양극물질은 분쇄/입도분리를 통해 -65mesh의 분리조건에서 3원계 양극활물질을 95% 이상 농축회수가 가능하였고 불순물인 Al의 경우에는 90% 이상 제거가 가능하였다.
– 실험방법
표 3에 분쇄기에 투입된 무게와 분쇄시간을 나타내었으며, 그림 4에는 연속 분쇄 및 분급장치 전경을 사진으로 찍어 나타내었다.
– 분쇄실험은 4차로 나누어 진행하였으며 각 분쇄 횟수별로 시료를 추가하면서 분쇄특성을 살펴보았다. 먼저 1차 분쇄에서는 분쇄기에 5.6kg의 시료를 투입한 후 6분동안 분쇄하였고 분쇄 후 일정량의 샘플을 채취하여 분쇄효율을 파악하였다. 2차 분쇄에서는 1차 분쇄산물에 추가로 7.9kg의 시료를 추가한 후 6분 분쇄하였고 마찬가지로 분쇄산물을 채취하여 분쇄효율을 파악하였으며 3차 분쇄에서는 13.8kg의 시료를 투입후 9분동안 분쇄하고 분쇄효율을 분석하였다. 4차 분쇄(과분쇄)에서는 추가의 시료투입 없이 3분의 추가분쇄를 통해 과분쇄에 의한 유가금속 회수율 증가에 대한 불순물의 농축율 증가율 역시 조사하였다.
– 분쇄효율을 분석하기 위해 8mesh, 18mesh, 40mesh, 65mesh의 4개의 표준체를 이용하여 입도분리를 한 후 +8, -8+18, -18+40, -40+65, -65 mesh의 5개의 산물에 대해 각각의 무게함량비를 구하고 각 입도별 유가금속의 농축정도를 파악하여 연속분쇄 및 분급에 의한 양극활물질의 회수율과 불순물의 제거율을 계산하였다. |
리튬이차전지 번역(영어 번역본)1. Physical Treatment for Recycling Spent Modules of HEV Lithium Secondary Batteries
□ Sample : Hyundai Avante Hybrid Electric Vehicle(HEV) battery pack
Examining a spent battery pack from a Hyundai Avante HEV, the pack is 72V/60A in which 6 unit modules are connected in series/parallel and each unit module is consisted of 8 unit cells, 4 heaters, and a module case. Table 1 displays the respective weight and content ratio of each component in a spent battery module, while Table 2 displays the specifications of a spent battery pack. As shown in Table 1, the total weight of a spent battery pack is approximately 35 kg, 6 modules are 15.3 kg, 8 battery cells are 1.8 kg, cover 3.16 kg, BMS 1.96 kg, inverter 14.4 kg etc.
① Physical Treatment
– Fig. 1 shows the physical treatment flow chart. A spent battery pack was disassembled into modules, which were separated into a circuit board, battery cell, and frame, and finally, the battery cell was disassembled again from which cathode/anode materials and Al case were separated. The cathode/anode materials were discharged in distilled water, dried, and separated into separators, cathode materials, and anode materials. To recover cathode active materials, the cathode materials went through crushing/particle-size separation to concentrate the cathode active materials within the cathode materials and Al, an impurity, was separated in the process.
– The purpose of the continuous crushing/classifying equipment is to recover cathode active materials (LiNixMnyCozO2) coated on the anode plate. As can be seen in the sample obtained through physical treatment, the separator or cathode plate can be recycled immediately because materials with singular composition are obtained. However, in the case of the anode plate, LiNixMnyCozO2 powder, a cathode active material, is not separated from the Al foil on top of the plate, which is a cathode collector, so a device to separate and recover this was designed.
② Performance evaluation of the continuous crushing/classifying equipment for physical treatment (10kg/h)
– Crush sample
When a spent EV lithium-ion battery cell is disassembled, cathode material, anode material and a separator with respective dimensions of 25cm×14cm are recovered, as shown in Fig. 2.
– Because fire or explosion can occur in the physical treatment process, a battery cell discharge experiment was conducted for a stable disassembly. Conducting the experiment with distilled water as the discharge solution and observing the voltage change, a complete discharge of the battery cell was possible under a 60-minute discharge condition, as shown in Fig. 3.
– As a result of examining the drying efficiency at 80℃ after discharging and 5 minute dehydration in a dehydrator, the sample was 100% dry after 10 hours of drying, as shown in Fig. 4.
– The cathode material, anode material, and separator which were obtained through disassembly after discharging and drying are shown in Fig. 5.
③ Recovery of cathode active material from stable, disassembled cathode material through crushing
– When dividing a unit cell, which is recovered after drying, into cathode material, anode material, and a separator, the anode material can be sold to a copper refining company, and the separator can be sold to a separator manufacturing company or used as a heat source.
– By crushing/particle-size separating recovered cathode materials at -65mesh separation condition, over 95% of 3-component system cathode active materials were concentrated and over 90% of Al was removed.
– Experiment method
Table 3 displays the weight put into the crusher and crushing time, while Fig. 4 shows an overview photo of the continuous crushing/classifying equipment.
– The crushing experiment was divided into 4 phases and the crushing characteristics were observed by adding sample in each crushing phase. In the 1st crushing, 5.6kg of sample was put into the crusher, crushed for 6 minutes, and a certain amount of the sample was collected to analyze the crushing efficiency. In the 2nd crushing, 7.9kg of sample was added to the 1st crushed sample, crushed for 6 minutes, and likewise, the crushed sample was collected to analyze crushing efficiency. In the 3rd crushing, 13.8kg of sample was put in, crushed for 9 minutes, and the crushing efficiency was analyzed. In the 4th crushing(over-crushing), by crushing for 3 more minutes without any additional sample input, the increase rate of impurity concentration over the increase in recovery rate of valuable metals due to over crushing was examined.
– In order to analyze crushing efficiency, particle-size separation was conducted using 4 standard sieves, 8mesh, 18mesh, 40mesh, 65mesh. The respective weight content rates of the 5 products, +8, -8+18, -18+40, -40+65, -65 mesh, were measured and the levels of concentration for each particle size were obtained. Using these information, the recovery rate of cathode active materials and removal rate of impurities due to continuous crushing and classification were computed. |
