배터리 재활용과 도시 광산을 혁신하는 초음파 침출

사용한 배터리와 전자 폐기물에는 재생 에너지 및 전기 자동차 분야의 증가하는 수요를 충족하는 데 필수적인 리튬, 니켈, 망간, 코발트와 같은 유가 물질이 풍부하게 들어 있습니다. 도시 광산 – 폐배터리와 기타 전자 폐기물에서 이러한 금속을 회수하는 공정 – 은 신규 광물 채굴의 필요성을 줄이고 폐기물을 최소화하여 순환 경제로 나아가는 유망한 경로입니다. 이 분야의 핵심 기술인 초음파 처리는 금속 회수율 향상, 처리 시간 단축, 지속 가능성 개선에 매우 큰 효과를 보여 왔습니다.

배터리 재활용과 도시 광산에서 초음파 처리의 위력: 지속 가능한 자원 회수의 판도를 바꾸는 기술

Canciani et al. (2024)의 최근 연구에서는 고강도 초음파에 의해 생성되는 미세한 충격파인 초음파 캐비테이션이 배터리 재활용을 위한 침출 공정에 미치는 영향을 살펴봅니다. 이 연구는 초음파 처리가 기존 재활용 방식을 소폭 개선하는 데 그치지 않고, 재활용 공정이 배터리 소재와 상호작용하는 방식을 근본적으로 바꾸어 공정을 더 빠르고 효율적으로 만들고 가혹한 화학물질에 대한 의존도를 낮춘다는 것을 보여 줍니다.
아래에서 연구 결과를 자세히 알아보세요!

초음파로 강화한 산 침출은 표면 근처에서 캐비테이션 기포가 터질 때 발생하는 유익한 기계적 작용 덕분에 기존 산 침출보다 열두 배 빠른 속도로 진행됩니다. 이 현상은 산 용액의 혼합을 개선하여 물질 전달 특성을 향상시킵니다.
이미지 및 연구: © Canciani et al., 2024

배터리 재활용에서 초음파 처리가 작용하는 방식

일반적인 배터리 재활용에서는 유가 금속을 함유한 양극재를 산성 용액에 용해하며, 이 공정을 “침출”이라고 합니다. 이 방식으로 배터리의 고체 구조에서 금속을 분리하고 회수할 수 있습니다. 그러나 기존 침출은 시간이 많이 걸려 상당량의 금속을 회수하는 데 수 시간이 필요한 경우가 많습니다. 또한 강산과 고온이 필요하여 환경 영향에 대한 우려가 제기됩니다.
초음파 처리는 침출 용액에 초음파를 직접 가하여 이 공정을 혁신합니다. Canciani et al.이 2024년에 발표한 연구에서는 배터리 소재를 대신하는 리튬 코발트 니켈 망간 산화물(NMC)을 사용하여 이 기술을 시험했습니다. 연구진은 특정 주파수와 진폭의 초음파를 가하여 초음파 캐비테이션이 침출 시간을 80% 넘게 단축한다는 사실을 확인했습니다. 수 시간이 걸리던 공정이 수 분 만에 이루어져 효율이 획기적으로 향상되었습니다.

침출 향상에서 초음파 처리의 역할: 물질 전달과 속도에 관한 과학적 원리

초음파 처리는 침출 속도를 높이는 데 그치지 않고 산성 용액이 배터리 입자와 상호작용하는 방식을 바꿉니다. 고출력 초음파는 용액 내에서 빠르게 붕괴하는 수백만 개의 미세 기포를 생성하며, 이 현상을 캐비테이션이라고 합니다. 이 작용은 강력한 국소적 힘을 발생시켜 표면 입자를 파쇄하고 산과 배터리 소재 내부 금속 간의 상호작용을 증가시킵니다.
Canciani et al. (2024)에 따르면, 이 공정은 배터리 소재에 두 가지 주요 영향을 미칩니다. 입자의 다공성을 높이고 크기를 줄여 표면적을 크게 증가시킵니다. 표면적이 커지면 산이 소재와 더 넓은 범위에서 상호작용할 수 있어 침출이 더 빠르게 진행됩니다. 저자들은 초음파 처리한 시료의 기공 부피가 기존 방식으로 처리한 시료보다 열 배 증가하여 산이 금속 성분을 용해할 수 있는 경로가 더 많이 형성되는 것을 관찰했습니다.

기존 침출(a–c) 및 초음파 침출(d–f)의 서로 다른 경과 시간에서 관찰한 입자의 SEM 이미지.
이미지 및 연구: © Canciani et al., 2024

초음파 침출: 물질 전달 특성 및 미세 혼합 개선

이 연구는 또한 초음파 캐비테이션이 표면 접촉을 증진할 뿐만 아니라 물질 전달 특성도 크게 개선함을 시사합니다. 이는 기본적으로 배터리 입자 전반에 산이 더욱 균일하게 분포하고, 캐비테이션에 의해 유도되는 미세 혼합이 입자를 산에 고르게 노출시킨다는 의미입니다. 그 결과 균질한 반응 환경이 조성되어 산이 금속을 더욱 효과적이고 균일하게 용해할 수 있습니다.
또 다른 주목할 만한 결과는 초음파 캐비테이션의 이점이 입자 크기 감소에만 국한되지 않는다는 점입니다. 연구진은 캐비테이션이 산과 입자 사이의 상호작용 메커니즘을 변화시킨다는 사실을 발견했으며, 이는 경계층에서의 물질 전달이 개선되었기 때문일 가능성이 높습니다. 간단히 말해, 캐비테이션은 각 입자를 둘러싼 액체층의 두께를 줄여 금속이 더 빠르게 용해되도록 합니다.

초음파 침출 및 기존 침출 후의 입자 크기 분포
이미지 및 연구: © Canciani et al., 2024

도시 광산 및 지속가능성 측면의 이점

배터리 재활용에서 초음파 처리의 효과는 도시 광산과 지속가능한 자원 회수의 미래에 막대한 잠재력을 지닙니다. Canciani et al. (2024)의 연구 결과는 초음파 처리가 다음과 같은 방식으로 환경에 해를 끼치는 관행을 대체하거나 이에 대한 의존도를 줄일 것임을 보여줍니다.

• 화학물질 사용량 감소: 초음파로 강화된 침출에서는 기존 침출에 일반적으로 필요한 더 강한 산 대신 아세트산과 같은 더 친환경적인 용매를 사용할 수 있습니다.
• 에너지 요구량 감소: 초음파 처리를 적용하면 장시간 가열할 필요 없이 실온에서 침출이 빠르게 진행되므로 에너지 소비와 배출량이 줄어듭니다.
• 물질 회수량 증가: 개선된 표면 상호작용과 증가한 다공성은 유가 금속의 회수율을 극대화하여 재활용 공정의 경제성을 확보하고 환경친화성을 높입니다.

배터리 산업에 미치는 광범위한 영향

전기차와 재생에너지 기술이 확대됨에 따라 배터리 수요가 급증하고 있으며, 이에 따라 배터리에 포함된 금속의 수요도 급증하고 있습니다. 초음파 처리로 강화된 재활용을 활용하는 도시 광산은 이러한 금속을 지속가능하게 회수하는 수단을 제공하여 채굴에 따른 환경 부담을 줄이고 배터리 생산 및 폐기에 폐쇄 순환 방식을 적용할 수 있게 합니다.
초음파 처리 기반 재활용 방법의 규모를 확대하고, 용매 조합을 최적화하며, 초음파 적용 방식을 정교하게 다듬으면 효율이 더욱 높아질 것입니다. Hielscher Ultrasonics는 고객의 침출 공정에 이상적인 초음파 처리기 인라인 구성을 기꺼이 추천해 드립니다. 지금 문의하세요!

설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 생산한 품질

Hielscher 초음파 처리기는 최고 수준의 품질 및 설계 기준으로 잘 알려져 있습니다. 견고성과 간편한 조작 덕분에 당사의 초음파 처리기를 산업 설비에 원활하게 통합할 수 있습니다. Hielscher 초음파 처리기는 가혹한 조건과 까다로운 환경에서도 수월하게 작동합니다.

Hielscher Ultrasonics는 ISO 인증 기업으로, 최첨단 기술과 사용자 편의성을 갖춘 고성능 초음파 처리기에 특별히 중점을 둡니다. 물론 Hielscher 초음파 처리기는 CE 규정을 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구사항을 충족합니다.

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.