전극 재활용 – 초음파 박리를 통한 높은 효율

전극의 초음파 박리를 통해 리튬, 니켈, 망간, 코발트 등의 활물질을 수 초 이내에 회수할 수 있습니다. 따라서 초음파 전극 박리는 배터리에서 재사용 가능한 소재를 더 빠르고 친환경적으로 회수하면서 에너지 소모를 크게 줄여 줍니다. 초음파 박리가 기존 재활용 기술보다 100배 더 빠를 수 있다는 사실은 이미 연구를 통해 입증되었습니다.

고출력 초음파로 전극에서 활물질 회수 개선

초음파 보조 전극 박리는 활물질과 금속박을 회수하는 빠르고 효율적이며 지속 가능한 방법입니다. 이러한 전극 구성 요소는 새 배터리 제조에 재사용할 수 있는 가치 있는 소재입니다. 초음파 박리는 습식 제련 및 건식 제련 재활용 공정보다 에너지 효율이 훨씬 높을 뿐 아니라 순도가 더 높은 소재를 얻을 수 있게 합니다.

배터리 재활용: 전극 분리 및 박리

리튬 이온 배터리(LIB) 재활용은 가치 있는 소재의 회수를 목표로 합니다. 전극에는 리튬, 니켈, 망간, 코발트 등 귀중하고 희소한 소재가 포함되어 있으며, 이러한 소재는 연속 초음파 박리 공정으로 효율적으로 회수할 수 있습니다. 프로브(소노트로드)가 장착된 초음파 처리 장치는 큰 진폭을 발생시킬 수 있습니다. 이 진폭은 액체 매질(예: 용매 욕조)에 초음파를 전달하며, 이곳에서는 고압 / 저압 주기가 번갈아 반복되면서 미세한 진공 기포가 생성됩니다. 이러한 진공 기포는 몇 차례의 주기에 걸쳐 성장하다가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 크기에 도달합니다. 이 시점에서 기포는 격렬하게 내파합니다. 기포의 내파는 최대 280m/s 속도의 액체 제트, 강한 난류, 매우 높은 온도(약 5,000K), 압력(약 2,000atm), 그리고 이에 따른 온도차와 압력차를 동반하는 에너지 밀도가 매우 높은 환경을 국소적으로 형성합니다.
초음파로 유도되는 이러한 기포 내파 현상을 음향 캐비테이션이라고 합니다. 음향 캐비테이션의 작용은 양면에 활물질 복합막이 코팅된 금속박 집전체에서 이 복합막을 제거합니다. 활물질은 주로 리튬 망간 산화물(LMO)과 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(LiNiMnCoO2 또는 NMC) 분말의 혼합물, 그리고 도전 첨가제인 카본 블랙으로 구성됩니다.
초음파 박리의 메커니즘은 분자 결합을 끊을 수 있는 물리적 힘에 기반합니다. 고출력 초음파의 강도 덕분에 금속박이나 집전체에서 활물질 층을 제거할 때 더 순한 용매만으로도 충분한 경우가 많습니다. 따라서 전극의 초음파 박리는 더 빠르고 친환경적이며 에너지 소모가 훨씬 적습니다.

초음파 박리에 따른 전극 활물질의 형태학적 변화를 보여 주는 주사 전자 현미경(SEM) 이미지. 모든 이미지는 5000x 배율과 10 kV 여기 에너지에서 촬영되었습니다. a) 박리 전 양극 소재, b) 박리된 양극 활물질, c) 박리 전 음극 소재 및 d) 박리된 음극 소재.
(연구 및 사진: Lei et al., 2021)

배터리 파쇄와 전극 분리 비교

활물질을 회수하기 위해 수계 용매 또는 유기 용매를 사용하여 금속박, 고분자 바인더 및/또는 활물질을 용해합니다. 공정 설계와 흐름은 물질 회수의 최종 결과에 큰 영향을 미칩니다. 기존 배터리 재활용 공정에는 배터리 모듈 파쇄가 포함됩니다. 그러나 파쇄된 구성 요소를 개별 구성 요소로 분리하기는 어렵습니다. 파쇄물에서 활물질/유가 물질을 얻으려면 복잡한 처리가 필요합니다. 회수한 활물질을 재사용하려면 일정 수준의 순도가 요구됩니다. 파쇄된 배터리 물질에서 고순도 물질을 회수하려면 복잡한 공정과 강한 용매가 필요하므로 비용이 많이 듭니다. 초음파 침출은 파쇄된 리튬 이온 배터리에서 활물질 회수를 촉진하고 회수 성과를 개선하는 데 성공적으로 사용되고 있습니다.
기존 파쇄 공정의 대안인 전극 분리는 회수 물질의 순도를 크게 높일 수 있는 효과적인 배터리 재활용 공정으로 입증되었습니다. 전극 분리 공정에서는 배터리를 주요 구성 요소로 분해합니다. 전극에는 유가 물질이 가장 큰 비중으로 포함되어 있으므로, 전극을 분리하고 화학적으로 처리하여 코팅된 금속박이나 집전체에서 활물질(리튬, 니켈, 망간, 코발트 …)을 용해합니다. 초음파 처리는 음향 캐비테이션으로 발생하는 강력한 효과로 잘 알려져 있습니다. 초음파의 기계적 힘은 금속박 위에 층을 이루는 활물질을 제거하기에 충분한 진동과 전단을 가합니다. (코팅된 금속박의 구조는 샌드위치와 비슷하며, 중앙에 금속박이 있고 활물질층이 외부 표면을 형성합니다.)
전극 분리를 자율 분해와 함께 사용하면 폐기물 흐름의 순도를 높이고 공급에서 더 높은 가치를 유지할 수 있으므로 파쇄보다 더 실용적인 선택이 될 수 있습니다.

전극 박리용 초음파 소노트로드

전극 금속박에서 활물질을 제거하는 데 필요한 진폭을 전달하는 특수 소노트로드를 손쉽게 구할 수 있습니다. 소노트로드와 전극 사이의 거리가 증가할수록 음향 캐비테이션의 강도가 감소하므로, 소노트로드와 전극 사이의 거리를 지속적으로 일정하게 유지하는 것이 좋습니다. 이는 압력파가 강하고 캐비테이션 밀도가 높은 소노트로드 팁 바로 아래에서 전극 시트를 팁에 가깝게 이동시켜야 한다는 뜻입니다. Hielscher Ultrasonics는 표준 원통형 초음파 프로브보다 폭이 넓은 특수 소노트로드를 통해 전기차 전극 시트를 균일하게 박리하는 효율적인 솔루션을 제공합니다. 예를 들어, 전기차(EV)의 파우치형 셀 배터리에 사용되는 전극은 일반적으로 폭이 약 20 cm입니다. 폭이 같은 소노트로드는 전극 표면 전체에 음향 캐비테이션을 균일하게 전달합니다. 이에 따라 수 초 이내에 활물질층이 용매로 분리되어 나오며, 이를 추출하고 정제하여 분말로 만들 수 있습니다. 이 분말은 새 배터리 생산에 재사용할 수 있습니다.
영국 Faraday Institution 연구팀은 LIB 전극의 활물질층 제거를 10 s 미만에 완료할 수 있다고 보고하며, 이는 전극이 고출력 소노트로드(1000–2000 W, 예: UIP1000hdT 또는 UIP2000hdT) 바로 아래에 위치한 경우에 해당합니다. 초음파 처리 중에는 활물질과 집전체 사이의 접착 결합이 끊어지므로, 후속 정제 단계에서 온전한 집전체와 분말 형태의 활물질을 회수할 수 있습니다.

다음 시트의 뒷면에 대한 초음파의 영향을 보여주는 이미지: a) 리튬 이온 배터리 음극 시트, b) 리튬 이온 배터리 양극 시트. 음극은 0.05 M 구연산 용액에서 박리하였으며, 양극은 0.1 M NaOH 용액에서 박리하였습니다. 소노트로드의 직경은 20 mm였으며, 소노트로드로부터 2.5 mm 떨어진 위치에서 120 W/cm2의 출력 강도를 3초 동안 가하였습니다. 시료 크기는 3 cm x 3 cm였습니다.
(연구 및 사진: Lei et al., 2021)

전극 박리용 초음파 처리기

Hielscher Ultrasonics는 20kHz 범위에서 작동하는 고성능 초음파 프로세서를 설계, 제조 및 공급합니다. Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 처리기는 까다로운 응용 분야에 매우 높은 진폭을 제공할 수 있는 고출력 초음파 프로세서입니다. 최대 200µm의 진폭으로 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 이보다 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 전극의 연속 박리 공정을 위해 Hielscher는 다양한 표준 소노트로드와 맞춤형 소노트로드를 제공합니다. 소노트로드의 크기는 전극 소재의 크기와 폭에 맞게 조정할 수 있으며, 이를 통해 높은 처리량과 우수한 회수 성능을 위한 최적의 공정 조건을 목표로 할 수 있습니다.

문헌 / 참고 자료

• Lei, Chunhong; Aldous, Iain; Hartley, Jennifer; Thompson, Dana; Scott, Sean; Hanson, Rowan; Anderson, Paul; Kendrick, Emma; Sommerville, Rob; Ryder, Karl; Abbott, Andrew (2021): Lithium ion battery recycling using high-intensity ultrasonication. Green Chemistry 23(13), 2021.
• Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
• Zhang, Zheming; He, Wenzhi; Li, Guangming; Xia, Jing; Hu, Huikang; Huang, Juwen (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO2 from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. International Journal of Electrochemical Science 9, 2014. 3691-3700.