초음파로 리튬 이온 배터리 재활용 효율 향상

리튬은 리튬 이온 배터리와 같은 고성능 배터리에 들어 있는 희소하고 가치가 매우 높은 소재입니다. 리튬은 리튬 이온 배터리 재활용에서 회수되는 가장 가치 있는 소재이며, 코발트, 망간, 니켈, 구리, 알루미늄과 같은 다른 광물과 금속도 회수 가치가 높은 금속입니다. 고강도 초음파 처리는 폐배터리에서 가치 있는 광물과 금속을 추출하고 제거하며 용해하기 위한 고전단 교반 및 침출 기술로 사용됩니다. 초음파 처리 방법은 효과와 에너지 효율이 매우 높으며, 본격적인 상업 규모의 재활용 시설에 설치할 수 있는 장비를 쉽게 구할 수 있습니다.

개요: 리튬 이온 배터리 재활용 공정

폐리튬 이온 배터리에서 귀금속과 소재를 재활용하는 공정은 일반적으로 여러 단계로 이루어집니다. 전반적인 개요는 다음과 같습니다:

1. 수거 및 분류: 폐리튬 이온 배터리를 유형과 화학 조성에 따라 수거하고 분류합니다.
2. 분해: 먼저 배터리의 플라스틱 덮개를 부수어 제거합니다. 그다음 덮개가 제거된 배터리를 액체 질소에 넣어 반응성과 폭발성이 있는 물질을 중화합니다. 이 단계는 저장된 모든 에너지의 갑작스러운 방출과 그에 따른 발화 및 폭발을 방지합니다. 그런 다음 배터리를 분해하여 양극, 음극, 전해질, 케이스 등 서로 다른 구성 요소를 분리합니다.
3. 파쇄: 분해된 배터리를 더 작은 조각으로 파쇄하여 후속 공정에 필요한 표면적을 늘립니다.
4. 전극 박리: 금속 추출 처리 전에 분리된 전극, 즉 양극과 음극을 추가로 분해해야 합니다. 양극재는 일반적으로 폴리불화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 바인더로 알루미늄박에 부착되어 있으므로, 양극과 알루미늄박을 서로 분리하기는 어렵습니다.
5. 화학적 처리: 파쇄된 배터리 구성 요소에 다양한 화학적 처리를 하여 서로 다른 소재를 용해하고 분리합니다. 여기에는 리튬, 코발트, 니켈, 구리와 같은 가치 있는 금속을 추출하기 위해 산이나 기타 용매로 침출하는 과정이 포함될 수 있습니다.
6. 회수 및 정제: 그런 다음 침전, 용매 추출 또는 전기화학적 방법과 같은 공정을 통해 용액에서 용해된 금속을 회수합니다. 이러한 단계는 귀금속을 정제하고 농축하는 데 도움이 됩니다.

초음파 처리로 향상되는 귀금속 회수

고출력 초음파는 반응을 강화하여 전극 박리와 귀금속 및 소재의 침출 단계를 개선함으로써 회수 공정의 효율을 크게 높일 수 있습니다. 초음파 처리는 고강도 초음파를 이용하여 액체 매질에서 기계적 진동과 음향 캐비테이션을 발생시키는 기술입니다. 초음파 처리의 강력한 힘은 여러 방식으로 폐리튬 이온 배터리의 귀금속 재활용 공정을 개선하는 데 사용됩니다:
 

1. 파쇄: 초음파 처리는 파쇄된 배터리 소재를 분해하여 더 작은 입자를 생성합니다. 입자가 작아지면 표면적이 커져 화학적 침출 효과가 높아지고 가치 있는 금속이 분리되어 나오는 데 도움이 됩니다.
2. 침출 개선: 침출 공정 중 초음파 처리를 적용하면 고체 소재와 침출 용액 사이의 접촉을 개선하여 금속 추출 효율을 높일 수 있습니다. 초음파 침출은 금속 추출을 촉진하고 코발트, 망간, 니켈, 구리, 알루미늄과 같은 금속 및 광물의 회수 수율을 높입니다.
3. 전극 박리 개선: 배터리 재활용에서 전극 박리의 목적은 전극, 전해질, 분리막 등의 서로 다른 구성 요소를 분리하여 각각 추가로 처리하거나 재활용할 수 있도록 하는 것입니다. 초음파 처리는 전극에서 코팅을 떼어 내고 제거하는 데 도움을 줍니다. 초음파의 기계적 힘은 전극 층의 효율적인 분리를 촉진합니다.
4. 반응 가속: 초음파 처리는 더 빠르고 철저한 혼합을 촉진하여 금속 회수 및 정제 단계에서 화학 반응을 가속할 수 있습니다.
5. 에너지 소비 감소: 초음파 처리는 공정 효율을 높여 폐배터리에서 금속을 회수하는 데 필요한 시간과 에너지를 줄일 수 있습니다.

 
초음파 처리는 재활용 공정에 포함된 여러 단계의 효과와 효율을 높여 폐리튬 이온 배터리에서 귀금속 및 소재를 재활용하는 공정을 개선하는 데 유익한 역할을 할 수 있습니다.
초음파 금속 침출 및 전극 박리 단계는 개별 재활용 공정에 맞게 조정할 수 있습니다. 이러한 공정은 리튬 이온 배터리 재활용 전문 기업이 최고의 효율을 달성하도록 공정을 개발하고 수정함에 따라 달라질 수 있습니다.

양극 분리를 위한 초음파 캐비테이션

초음파 처리는 음향 캐비테이션의 효과로 양극 소재를 알루미늄 포일에서 분리합니다. 음향 또는 초음파 캐비테이션은 국소적으로 발생하는 고압과 고온 및 그에 뒤따르는 압력과 온도의 급격한 하강으로 특징지어지며, 이로 인해 각각 압력 차이와 온도 차이뿐 아니라 강력한 미세 난류와 고전단 미세 제트가 발생합니다. 이러한 캐비테이션의 힘은 표면 경계에 작용하고 물질 전달을 촉진하며 침식을 일으킵니다. 초음파 캐비테이션은 이처럼 강력한 화학적, 물리적, 열적, 기계적 힘을 발생시켜 리튬 이온 배터리에서 양극을 집전체 / 알루미늄 포일에 고정하는 데 사용되는 유기 바인더 구조를 파괴하는 데 필요한 교반과 물질 전달을 일으킵니다.
단순한 저어 주기와 같은 기계적 교반만으로는 양극 소재를 알루미늄 포일에서 효과적으로 떼어 내기에 충분하지 않지만, 고강도 초음파 처리는 양극 소재를 집전체에서 완전히 제거하는 데 필요한 초음파 화학적 에너지와 초음파 기계적 에너지를 제공합니다. 기계적 교반과 달리 초음파 캐비테이션은 강력한 난류, 국소적인 고온과 고압뿐 아니라 교반, 유동 및 액체 제트를 발생시킵니다. 이러한 작용은 양극을 Al 포일에 연결하는 PVDF 또는 PTFE 등의 바인더를 파괴하고 양극과 Al 포일 양쪽의 표면을 침식시킵니다. 이로써 두 소재 사이의 바인더가 충분히 파괴되고 양극과 알루미늄 포일이 효과적으로 분리됩니다.
예를 들어, N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 용매로 사용하여 70°C에서 초음파 분리를 수행하면 양극 제거 효율이 99%에 달합니다(초음파 출력 240 W, 초음파 처리 시간 90 min). 초음파 양극 분리는 소재를 고르게 분산시키고 더 큰 응집체의 형성을 방지하므로 후속 금속 침출 공정이 용이해집니다.
활물질과 집전체 포일을 회수하기 위한 초음파 전극 박리에 대해 자세히 알아보세요!

광물의 초음파 침출

위에서 설명한 초음파 캐비테이션 효과는 폐배터리에서 금속을 침출하는 데에도 도움이 됩니다. 고강도 초음파 처리는 배터리 재활용 시 광물을 회수하는 데 사용될 뿐만 아니라 습식 제련과 귀중한 광석의 침출(예: 광산 광미)에도 자주 사용됩니다. 국소적으로 발생하는 높은 온도와 압력, 전단력은 금속 침출을 강화하고 침출 효율을 크게 높입니다. 캐비테이션 핫스폿에서는 국소적으로 최대 1000 K에 이르는 극도로 높은 온도가 발생하지만, 전체 침출 공정에는 약 50–60°C의 온화한 온도만 필요합니다. 따라서 초음파 금속 회수는 에너지 효율적이고 경제적입니다.
폐리튬 이온 배터리에서 광물을 초음파로 침출하는 공정은 높은 회수율과 효율이 특징입니다. 예를 들어, 양극에서 초음파로 광물을 회수하는 과정에서 과산화수소(H2O2)가 존재하는 조건으로 황산(H2SO4)을 침출제로 성공적으로 사용했습니다. 황산을 이용한 초음파 침출 결과, 코발트와 리튬의 회수율은 각각 94.63%와 98.62%였습니다.
유기산인 구연산(C6H8O7·H2O)을 이용한 초음파 침출은 구리와 리튬의 회수율이 매우 높아, 폐리튬 이온 배터리에서 구리의 96%와 리튬의 거의 100%를 회수합니다.

간편하고 안전한 공정: 타당성 시험부터 산업용 재활용까지 초음파 공정 규모 확대

리튬 이온 배터리 재활용을 위한 고성능 초음파 장비는 벤치탑, 파일럿 및 산업용 설비에 설치할 수 있도록 쉽게 공급받을 수 있습니다. 초음파 양극 분리와 폐배터리 광물의 초음파 침출은 이미 확립된 공정이므로, 초기 시험부터 특정 공정 요건에 맞춘 최적화와 완전한 산업용 초음파 분리 및/또는 침출 시스템 설치까지의 과정이 빠르고 간단합니다.
지속 가능한 배터리 재활용과 도시 광산을 위한 초음파 침출의 장점에 대해 자세히 알아보세요!

배터리 재활용을 위한 고성능 초음파 처리기

Hielscher Ultrasonics는 모든 크기와 용량의 고성능 초음파 처리기를 공급합니다. Hielscher가 제조하는 UIP16000(16kW)은 전 세계에서 가장 강력한 초음파 처리기입니다. UIP16000을 비롯한 모든 산업용 초음파 시스템은 필요한 처리 용량에 맞춰 손쉽게 여러 대를 결합할 수 있습니다. 모든 Hielscher 초음파 처리기는 전부하 및 가혹한 환경에서 24/7 운전하도록 제작됩니다.
Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 처리기는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드도 제공됩니다.

모든 부피에 대응하는 초음파 프로브 및 초음파 반응기

Hielscher Ultrasonics의 제품군은 소형 실험실용 초음파 처리기부터 벤치탑 및 파일럿 시스템을 거쳐 시간당 트럭 적재량 단위의 물량을 처리할 수 있는 완전한 산업용 초음파 처리기까지 전 범위를 아우릅니다. 이러한 전체 제품군을 통해 고객의 응용 분야, 공정 처리 용량 및 생산 목표에 가장 적합한 초음파 장비를 제공할 수 있습니다.

최적의 결과를 위해 정밀하게 제어할 수 있는 진폭

모든 Hielscher 초음파 프로세서는 정밀하게 제어할 수 있어 연구 개발 및 생산에서 신뢰할 수 있는 핵심 장비로 활용됩니다. 진폭은 초음파 화학적 및 초음파 기계적으로 유도되는 반응의 효율과 효과에 영향을 미치는 중요한 공정 변수 중 하나입니다. Hielscher Ultrasonics의 모든 프로세서는 진폭을 정밀하게 설정할 수 있습니다. 소노트로드와 부스터 혼은 진폭을 더욱 넓은 범위에서 조정할 수 있게 해 주는 액세서리입니다. Hielscher의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공하며 까다로운 응용 분야에 필요한 초음파 강도를 제공합니다. 최대 200µm의 진폭으로도 손쉽게 24/7 연속 운전할 수 있습니다.
정밀한 진폭 설정과 스마트 소프트웨어를 통한 초음파 공정 변수의 상시 모니터링을 통해 가장 효과적인 초음파 조건에서 알루미늄박으로부터 양극을 분리하고 폐리튬 이온 배터리에서 광물과 금속을 침출할 수 있습니다. 가장 효율적인 리튬 이온 배터리 재활용을 위한 최적의 초음파 처리!
Hielscher 초음파 처리기는 견고하여 고부하 및 까다로운 환경에서도 24/7 운전할 수 있습니다. 따라서 Hielscher 초음파 처리기는 재활용 공정의 요구 사항을 충족하는 신뢰할 수 있는 작업 장비입니다.

최고 품질 – 독일에서 설계 및 제조

가족이 소유하고 운영하는 기업인 Hielscher는 초음파 프로세서에 최고 수준의 품질 기준을 최우선으로 적용합니다. 모든 초음파 처리기는 독일 베를린 인근 텔토에 있는 본사에서 설계, 제조되고 철저한 시험을 거칩니다. Hielscher 초음파 장비의 견고성과 신뢰성은 생산 현장에서 핵심 장비로서의 역할을 뒷받침합니다. 최대 부하 및 까다로운 환경에서의 24/7 운전은 Hielscher 고성능 초음파 프로브와 반응기의 기본적인 특성입니다.

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여 줍니다.

알아두면 유용한 정보

리튬 이온 배터리란 무엇인가요?

리튬 이온 배터리(Li-ion 배터리라고도 함)는 충전식 배터리의 일종입니다. 납 및 니켈 기반 배터리와 비교하면, 리튬 이온 장치는 양극, 음극 및 전해질을 전도체로 사용합니다.
모든 배터리와 마찬가지로 리튬 이온 배터리는 화학 에너지를 저장하며, 이 에너지는 전력 공급을 위한 정전하를 제공하기 위해 전기 에너지로 변환됩니다.
리튬 이온 배터리는 노트북, 스마트폰 등의 휴대용 전자 기기와 전기 자동차에 널리 사용됩니다. 리튬 이온 배터리의 활용에 대한 군과 항공우주 기업의 관심도 높아지고 있습니다.