리?? 철포스파트 카토드 재료의 재활용 방법

신에너지 자동차 산업의 급격한 발전과 함께 리튬인산철(LiFePO4) 배터리는 높은 안전성, 긴 수명, 비용 효율성 등의 장점으로 인해 전력 배터리 시장의 주류 선택이 되었습니다. 그러나 대규모 폐배터리 재활용은 자원 재활용과 환경 보호 측면에서 점점 더 중요해지고 있습니다.

폐배터리를 제대로 처리하지 않으면 리튬, 철, 인과 같은 귀중한 자원을 낭비할 뿐만 아니라 전해질 누출 및 중금속 침출로 인한 환경 오염을 유발할 수 있습니다. 따라서 효율적이고 경제적이며 환경 친화적인 재활용 기술 개발이 시급합니다.

현재 폐리튬인산철 양극재 재활용 기술은 크게 직접 재생, 습식 제련, 습식 제련의 세 가지 범주로 나뉩니다.

I. 직접 재생

직접 재생 기술은 구조적 결함을 복구하여 재료의 전기화학적 성능을 복원하는 것으로, 주로 고온 고상법과 수열법을 포함합니다.

고온 고상법
고온 고상법은 리튬 공급원을 첨가하고 고온에서 결정 구조를 재구성하는 것을 포함합니다. 예를 들어, 바나듐을 도핑한 후 재생된 재료는 0.1C에서 154.3mAh/g의 방전 비축 용량을 달성할 수 있습니다. 그러나 이 방법은 에너지 집약적이며 원료의 엄격한 순도가 요구됩니다.

수열법
수열법은 Na2SO3를 환원제로 사용하여 리튬 함유 용액에서 복구하는 것을 포함합니다. 재생된 양극재는 1C 속도에서 135.9mAh/g의 가역 비축 용량을 달성하며, 100회 사이클 후 최대 99%의 용량 유지율을 보입니다. 그러나 고전압 환경이 초래하는 안전 위험은 대규모 적용을 제한합니다.

II. 습식 제련

습식 제련 기술은 배터리 재료를 고온에서 소성하고 분해하여 금속 성분을 분리합니다. 예를 들어, 소니는 1000°C에서 소성하여 유기물을 분해하고 습식 공정과 결합하여 귀중한 금속을 회수합니다. 에너지 소비를 줄이기 위해 연구자들은 용융염 보조 방법을 개발했으며, 예를 들어 NaOH 또는 NaHSO4를 활성제로 사용하여 반응 온도를 400-900°C로 낮추고 리튬 침출률을 99% 이상 달성했습니다. 그러나 습식 제련 공정은 여전히 높은 에너지 소비, HF와 같은 유해 가스 발생, 염제 재활용의 어려움 등의 단점을 가지고 있어 대규모 적용을 제한합니다.

III. 습식 제련

습식 제련은 현재 가장 주류적인 재활용 기술입니다. 공정은 전처리, 침출, 불순물 제거, 제품 재생의 네 가지 단계로 구성됩니다.

전처리 단계에서는 방전, 분해 및 분리(예: 열처리 또는 유기 용매 용해)를 통해 양극 분말을 얻어야 합니다. 산업적으로는 기계적 분쇄 및 선별 방법이 일반적으로 사용되지만, 알루미늄 호일 잔류물은 알루미늄, 불소, 티타늄과 같은 불순물을 도입하여 후속 처리의 어려움을 증가시킵니다.

침출 공정은 전원소 침출과 선택적 리튬 추출로 나뉩니다. 전원소 침출은 무기산 또는 유기산(예: H3PO4-옥살산 시스템)을 사용하여 리튬 및 철 침출률을 97% 이상 달성하지만, 산 소비량이 많고 폐수 처리 부담이 큽니다. 선택적 리튬 추출은 H2O2 및 NaClO와 같은 산화제를 사용하여 리튬을 우선적으로 침출(침출률 > 95%)하는 반면, 철과 인은 FePO4로 슬래그에 남습니다.

불순물 제거는 특히 알루미늄, 불소, 티타늄의 심층 제거가 주요 과제입니다. 불소화 배위는 알루미늄과 불소를 동시에 99.4% 및 96.4% 제거할 수 있지만, 알루미늄-불소 비율의 정밀한 제어가 필요합니다. 열처리는 불소의 90% 이상을 제거할 수 있지만, 매우 유독한 가스를 방출합니다. 유도 결정화는 씨앗 결정을 사용하여 티타늄 불순물을 흡착하여 철 손실을 0.8% 미만으로 하면서 80% 이상의 제거율을 달성합니다.

제품 재생 단계에서는 전원소 침출 용액을 사용하여 FePO4 및 Li2CO3를 합성할 수 있지만, 불순물이 제품 순도에 영향을 미칩니다. 리튬 추출 슬래그는 산 침출-불순물 제거-침전 과정을 거쳐 배터리 등급 FePO4로 전환해야 하며, 이는 복잡하고 비용이 많이 드는 공정입니다.

또한, 기계적 활성화 및 전기화학적 방법과 같은 신기술도 잠재력을 보여줍니다. 기계적 활성화는 볼 밀링 전처리 후 침출을 결합하여 선택적 리튬 침출(침출률 99.55%)을 달성할 수 있지만, 많은 에너지를 소비합니다. 전기화학적 방법은 전기분해를 통해 리튬 이온을 이동시켜 강산 없이 90% 이상의 회수율을 달성하지만, 에너지 소비는 여전히 문제입니다.

다양한 재활용 기술에도 불구하고 핵심 과제는 여전히 남아 있습니다:

첫째,철과 인 자원의 고부가가치 활용이 부족합니다. 선택적 리튬 추출 공정은 양극 질량의 70% 이상을 차지하는 철과 인 원소를 무시하여 리튬 추출 슬래그의 축적과 자원 낭비를 초래합니다.

둘째,불순물의 심층 제거가 어렵습니다. 알루미늄 및 티타늄 이온은 FePO4 격자에 쉽게 도핑되어 재활용 재료의 전기화학적 성능에 영향을 미칩니다.

셋째,경제적 효율성과 환경 친화성 사이에 상당한 충돌이 존재합니다. 습식 공정은 많은 양의 시약을 소비하고, 습식 제련 공정은 에너지 집약적이며, 직접 재생은 원료의 엄격한 순도를 요구합니다.

향후 연구는 불소화 배위 방법의 산업적 적용 촉진과 같은 단기 공정, 저비용 불순물 분리 기술 개발에 초점을 맞춰야 합니다. 리튬 추출 슬래그의 고부가가치 활용을 강화하고 리튬 배터리 촉매 또는 기타 기능성 재료로서의 잠재력을 탐구해야 합니다. 태양열 난방과 같은 신에너지 공급 모델을 결합하여 습식 제련 공정의 에너지 소비를 줄여야 합니다. 또한, 폐 LiFePO4를 고압 고용체 LiFe0.5Mn0.5PO4로 전환하는 것과 같은 직접 재생의 성능 향상 경로를 확장해야 합니다. 여러 기술 접근 방식에 걸친 협력 혁신과 "재활용-재생-응용"을 포함하는 폐쇄 루프 산업 체인 구축을 통해서만 폐 리튬인산철 배터리의 효율적이고 깨끗하며 고부가가치 재활용을 달성하여 신에너지 자동차 산업의 지속 가능한 발전을 위한 자원 안보를 제공할 수 있습니다.