KR102134719B1 - 폐리튬이온배터리의 재활용 장치 및 방법 - Google Patents

폐리튬이온배터리의 재활용 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

폐리튬이온배터리의 방전공정을 거치지 않고 바로 재활용 공정으로 투입하는 분해 및 재활용함으로써 방전공간을 위한 부지와 설비가 불필요하고 신속하게 재활용 공정을 진행할 수 있는 폐리튬이온배터리의 재활용 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명에 의한 폐리튬이온배터리 재활용 장치는 투입구로 폐배터리가 투입되면 수중에서 파쇄가 진행되는 수중파쇄부; 상기 수중파쇄부에서 파쇄된 조각들을 조금 더 잘게 파쇄하는 일반파쇄부; 상기 파쇄된 조각들을 건조하는 건조부; 및 상기 건조부에서 건조된 파쇄된 조각들을 분류하여 저장하는 분급부;를 포함한다.

Description

폐리튬이온배터리의 재활용 장치 및 방법 {Recycling apparatus for wasted lithium ion battery and method for the same}
본 발명은 리튬이온 배터리의 방전공정을 거치지 않고 바로 재활용 공정으로 투입하여 분해 및 재활용함으로써 생산량 대비 방전공간을 위한 부지와 설비가 불필요 하고 공정시간 대폭 감소시켜 신속하게 재활용 공정을 진행할 수 있는 리튬이온 배터리의 재활용 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 충전하여 사용하는 리튬이온 배터리는 휴대기기인 무선 전화기, 스마트폰, 모바일 기기 등이 많이 사용되면서 기하급수적으로 그 수요량이 폭발적으로 증가하였고, 최근 단위 배터리셀을 복수개 포함하는 배터리팩의 사용이 증가하고 있다. 배터리팩은 전기적으로 연결되어 있는 배터리 모듈을 복수개 포함하고 있는데, 이러한 배터리팩은 큰 전기용량이 필요한 전기자동차(EV) 내지 하이브리드 전기자동차(HEV)에 많이 사용되고 있다. 전기자동차 및 하이브리드 전기자동차는 차세대 이동수단으로 각광받고 있으며, 생산대수는 급격히 증가할 것으로 예상된다. 다만, 전기자동차에서 발생하는 폐배터리팩, 리튬 이차전지 역시 향후 급격히 증가할 것으로 예상되지만 폐리튬이온배터리의 처리방법에 대해서는 그 연구가 미비한 실정이다.
폐리튬이온배터리를 재활용하기 위해서는 배터리를 방전공정이 필요하며 이러한 방전 공정은 보통 염수에 담가 5~15일정도 방치시키는 공정이 이루어 진다. 이러한 염수방전 공정은 전류가 흐르는 소금물에 담가 방전시키는 방식으로 대부분 안전한 방법으로 인식되어 주로 사용되고 있다. 그러나 다량의 폐배터리의 염수 방전 시 배터리 종류의 다양성과 충전량 차이 등으로 인해 방전여부를 확인할 길이 없다 이러한 방전이 제대로 이루어지지 않은 폐리튬이온배터리의 경우에는 여전히 대형 폭발과 화재의 원인이 될 수 있으며, 원료의 가공을 위한 위한 파/분쇄 공정에서는 매우 손쉽게 화재와 폭발이 동반된다. 위와 같은 방전공정을 거쳐 폐리튬이온배터리를 파쇄와 분쇄, 분급과정을 통하여 유가금속이 포함된 소위 블랙파우더(Co, Ni, Li, 등)를 얻게 된다.
또한 종래에 염수 방전 기술은 염수 1비율과 폐배터리 1비율로 통상 5~15일간 방치 시켜야 방전효과를 볼 수 있어 시간이 많이 소요 되며, 폐배터리에 포함된 금속재료 특성상 요일별로 금속 가격이 변동을 하여 폐배터리 수급과 판매에 대한 운영과 자금계획에 차질이 생길 수 있으며 염수방전을 위해 염수에 담가두는 배터리는 해당 기간 동안은 사용할 수가 없어 자금이 대량 묶이는 매우 큰 단점으로 나타난다. 또한 많은 양을 적재하기 위해 확보해야 하는 넓은 면적의 부지와 악취, 지붕이 없는 경우 천재지변으로 부터의 피해 등은 2차 환경오염 문제를 야기시킬 수 있으며 주변 주민으로부터 민원도 발생할수 있다. 따라서 많은 적재공간의 필요성과 긴 시간동안의 방전공정은 재활용 공정비용 자체를 상승시키는 요인으로 볼 수 있으며, 비효율적인 자금 흐름과 2차 환경문제를 야기 시키는 큰 요인이 될 수 있는 문제점이 있었다.
등록특허 10-1827824
본 발명의 목적은, 이러한 폐리튬이온배터리가 가진 다양한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폐리튬이온배터리를 방전을 위한 적재공간 없이 바로 파분쇄 작업에 투입할 수 있도록 함으로써 작업시간 단축과 적재공간을 절약할 수 있는 폐리튬이온배터리의 재활용 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, 투입구로 폐배터리가 투입되면 수중에서 파쇄가 진행되는 수중파쇄부; 상기 수중파쇄부에서 파쇄된 조각들을 조금 더 잘게 파쇄하는 일반파쇄부; 상기 파쇄된 조각들을 건조하는 건조부; 및 상기 건조부에서 건조된 파쇄된 조각들을 분류하여 저장하는 분급부;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 수중파쇄부는 투입된 폐배터리가 수중에서 파쇄되도록 수중에 설치된 수중 파쇄기를 구비할 수 있다.
이때, 상기 수중파쇄부는 상기 수중 파쇄기 하부에 설치되되 일부는 물에 잠기고 일부는 수중 상부로 노출되도록 기울어지게 설치되어 수중 파쇄된 조각들을 수중 상부로 이송시키는 수중 컨베이어를 포함할 수 있다.
이때, 상기 수중 컨베이어에 의해 이송되어 상단에서 떨어지는 파쇄된 조각들을 지지하는 동시에 수분이 배출되는 스크린을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 스크린 하부에 설치되고, 상기 파쇄된 조각들로부터 배출된 수분을 여과하는 여과기를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 여과기를 통과한 수분은 수조에 모이고, 상기 수조의 물은 상기 수중파쇄부로 제공되어 재사용될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 다른 구체적인 수단으로서 본 발명은, 폐배터리가 투입된 다음 수중에서 파쇄기에 의해 수중 파쇄되는 수중파쇄단계; 상기 수중파쇄단계에서 파쇄된 조각들을 더욱 잘게 공기 중에서 파쇄하는 일반파쇄단계; 상기 파쇄된 조각들의 수분이 모두 제거되도록 건조하는 건조단계; 및 상기 건조단계에서 건조된 파쇄된 조각들을 분류하여 저장하는 분급단계;를 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 구체적인 수단으로서 본 발명은, 폐배터리가 투입된 다음 수중에서 파쇄기에 의해 수중 파쇄되는 수중파쇄단계; 상기 수중파쇄단계에서 파쇄된 조각들의 수분이 모두 제거되도록 건조하는 건조단계; 상기 파쇄된 조각들을 더욱 잘게 공기 중에서 파쇄하는 일반파쇄단계; 및 상기 건조단계에서 건조된 파쇄된 조각들을 분류하여 저장하는 분급단계;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 수중파쇄단계에서 파쇄된 조각은 일부는 물에 잠기고 일부는 수중 상부로 노출되도록 기울어지게 설치된 수중 컨베이어에 의해 스크린으로 이송되고, 상기 수중 컨베이어에 의해 이송되어 상단에서 떨어진 파쇄된 조각들의 수분은 스크린 하부로 배출되어 여과기를 통과한 다음, 수조에 모인 후 재사용될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 본 발명은 폐배터리들을 방전시키기 위한 적재공간이 필요 없기 때문에 작업 공간을 획기적으로 줄 일 수 있는 효과를 제공한다.
(2) 본 발명은 폐배터리들을 적재공간에 염수에 담그고 그 상태에서 5~15일 정도 방전시켜야 하나 이러한 방전 공정을 생략하고 바로 폐배터리 재활용 공정을 진행할 수 있기 때문에 시간과 비용을 절약할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 폐배터리 재활용 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 폐배터리 재활용 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 의한 폐배터리 재활용 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 의한 폐배터리 재활용 장치의 개략적인 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 폐리튬이온배터리의 재활용 장치 및 방법을 보다 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 폐리튬이온배터리의 재활용 장치는, 도 1 및 도 2를 참고하면, 수중파쇄부(10), 일반파쇄부(20,40,60), 건조부(30) 및 분급부(50,70)를 포함한다.
상기 수중파쇄부(10)는, 도 1 및 도 2를 참고하면, 투입구로 폐배터리가 투입되면 수중에서 파쇄가 진행된다.
이때, 상기 수중파쇄부(10)는 투입된 폐배터리가 수중에서 파쇄되도록 수중에 설치된 수중 파쇄기(12)를 구비한다.
이때, 상기 수중 파쇄기(12)는 소위 슈레더를 이용한다. 회전하는 치형의 두 개의 날 사이에 폐배터리가 들어가면서 파쇄가 이루어지는 것이다. 물론 이러한 슈레더 외에도 다른 파쇄기를 적용할 수 있음은 물론이다.
이때, 상기 수중 파쇄기(12)에 의해 폐배터리가 파쇄될 때, 완전 방전된 폐배터리 외에는 모두 폭발하게 된다. 그러나 수중에서 폭발이 이루어지기 때문에 그 폭발 에너지는 물이 흡수하게 된다. 따라서 물의 온도는 상승할 수 있는데, 외부와의 온도차에 의해 물은 계속 에너지원을 빼앗기게 되어 결국에는 일정온도 이상 올라가기 힘들다. 만약 물의 일정온도 이상 올라가게 되면 물을 순환시켜 냉각시키거나 장치 자체를 일정시간 멈추도록 할 수도 있다.
이때, 상기 수중 파쇄기(12)는 수중에서 파쇄가 이루어지기 위하여 수조(11)에 잠긴 상태를 유지하기 때문에 구동부와 연결부위는 방수 처리하도록 한다.
상기 수중파쇄부(10)는 상기 수중 파쇄기(12) 하부에 설치되되 일부는 물에 잠기고 일부는 수중 상부로 노출되도록 기울어지게 설치되어 수중 파쇄된 조각들을 수중 상부로 이송시키는 수중 컨베이어(13)를 포함한다.
이때, 상기 수중 컨베이어(13)는 낮은 하단 부분이 상기 수중 파쇄기(12)의 하부에 위치하도록 하고, 높은 상단 부분은 공기 중으로 노출되어 있다. 따라서 상기 수중 컨베이어(13)가 작동하게 되면 폐배터리의 파쇄된 조각은 컨베이어(13)에 의해 올라가 스크린(14)으로 이동하게 된다.
이때, 상기 수중 컨베이어(13)에 의해 이송되어 상단에서 떨어지는 파쇄된 조각들을 지지하는 동시에 수분이 배출되는 스크린(14)을 더 포함한다.
이때, 상기 스크린(14)은 수중 컨베이어(13)와 반대방향으로 기울어지게 설치되어 있다. 따라서 계속 올라오는 파쇄된 조각들에 의해 밀리면서 이동하게 된다.
이때, 파쇄된 조각의 수분은 스크린(14)의 하부로 낙하하게 된다. 낙하도니 수준은 수조(15)에 모이게 되고, 상기 수조(15)의 물에는 파쇄된 조각 등의 이물질이 섞여 있게 된다.
이때, 상기 스크린(14) 하부에 설치되고, 상기 수조(15)에 연결되어 상기 파쇄된 조각들로부터 배출된 수분을 여과하는 여과기(16)를 더 포함한다. 상술한 수조(15)의 이물질이 걸러지게 된다.
이때, 상기 여과기(16)를 통과한 수분은 수조(17)에 모이고, 상기 수조(17)의 물은 상기 수중파쇄부(10)로 제공되어 재사용된다. 즉 상기 수조(17)에 여과되어 모인 물은 다시 수중파쇄부(10)로 제공되는 사이클을 가지게 된다. 따라서 물을 계속 소비하지 않고 재사용함으로써 비용측면이나 환경 측면에서도 대단히 유리한 공정을 진행할 수 있게 된다.
이때, 상기 수중파쇄부(10)의 물은 염소를 포함하게 되는 바, 그 비율은 약0-20%이다.
상기 일반파쇄부(20, 40, 60)는, 도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 수중파쇄부(10)에서 파쇄된 조각들을 조금 더 잘게 파쇄하게 된다.
이때, 일반파쇄부(20, 40, 60)는 건조가 이루어진 다음, 커트밀, 함마밀로 이루어진 미세 및 고속 파쇄기를 말한다. 물론 이러한 공정은 모두 수중이 아닌 공기 중에서 이루어지게 된다.
상기 건조부(30)는, 도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 파쇄된 조각들을 건조하게 된다.
이때, 상기 건조부(30)는 소성로, 로터리 킬른을 적용할 수 있다.
상기 건조부(30)에서는 파쇄된 조각들의 수분이 완전히 증발하게 됨으로써 후 공정의 일반파쇄부(20, 40, 60)에서 파쇄가 이루어질 수 있게 된다.
상기 분급부(50,70)는, 도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 건조부(30)에서 건조된 파쇄된 조각들을 분류하여 저장하게 된다. 상기 일반파쇄부(20, 40, 60)마다 후공정으로 설치되어 각형 분급하게 된다.
한편, 본 발명에서는 완전히 방전이 이루어진 폐배터리는 분리하여 일반적인 슈레더 파쇄기(20)에서 파쇄를 진행하게 된다. 여기서 파쇄가 이루어진 조각들은 전술한 수중파쇄부(10)에서 파쇄가 이루어진 조각들과 합쳐져 다음 공정으로 이동하게 된다.
본 발명의 제1실시예에 의한 폐리튬이온배터리의 재활용 방법은, 도 1 및 도 2를 참고하면, 폐배터리가 투입된 다음 수중에서 파쇄기에 의해 수중 파쇄되는 수중파쇄단계와, 상기 수중파쇄단계에서 파쇄된 조각들의 수분이 모두 제거되도록 건조하는 건조단계와, 상기 파쇄된 조각들을 더욱 잘게 공기 중에서 파쇄하는 일반파쇄단계와, 상기 건조단계에서 건조된 파쇄된 조각들을 분류하여 저장하는 분급단계를 포함한다.
이때, 수중파쇄단계 전에 폐배터리가 완전 방전되었는지를 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다. 완전 방전된 폐배터리의 경우에는 수중파쇄를 하지 않고 일반 파쇄를 진행하게 된다. 왜냐하면 파쇄 시 폭발의 위험이 없기 때문이다.
이때, 상기 수중파쇄단계에서 파쇄된 조각들은 건조부에서 건조가 이루어진 다음 일반파쇄인 2차 파쇄, 3차 파쇄가 이루어지고, 각 단계별로 분급이 계속 이루어질 수 있다.
물론, 이때 상기 수중파쇄단계에서 파쇄된 조각은 일부는 물에 잠기고 일부는 수중 상부로 노출되도록 기울어지게 설치된 수중 컨베이어(13)에 의해 스크린(14)으로 이송되고, 상기 수중 컨베이어(13)에 의해 이송되어 상단에서 떨어진 파쇄된 조각들의 수분은 스크린(14) 하부로 배출되어 여과기(16)를 통과한 다음, 수조(17)에 모인 후 재사용되는 것은 전술한 바와 같다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 상기 수중파쇄부(10)에서 수중 파쇄가 이루어진 파쇄된 조각들은, 완전 방전된 폐배터리가 일반 파쇄된 조각들과 합쳐져, 건조부(30)에서 건조가 이루어지고, 2차 파쇄, 1차분급, 3파 파쇄, 2차 분급 순으로 공정이 진행된다.
본 발명의 제2실시예에 의한 폐리튬이온배터리의 재활용 방법은, 폐배터리가 투입된 다음 수중에서 파쇄기에 의해 수중 파쇄되는 수중파쇄단계와, 상기 수중파쇄단계에서 파쇄된 조각들을 더욱 잘게 공기 중에서 파쇄하는 일반파쇄단계와, 상기 파쇄된 조각들의 수분이 모두 제거되도록 건조하는 건조단계와, 상기 건조단계에서 건조된 파쇄된 조각들을 분류하여 저장하는 분급단계를 포함한다.
여기서, 전술한 실시예와 다른 점은 1차 파쇄인 수중 파쇄 후, 일반적인 2차 파쇄(100)를 한 번 더 진행하는 점에서 차이점이 있다. 이렇게 조금 더 잘게 파쇄한 다음 건조부(30)에 이송시킴으로써 건조에 유리할 수 있게 된다.
물론, 여기서도, 상기 수중파쇄단계에서 파쇄된 조각은 일부는 물에 잠기고 일부는 수중 상부로 노출되도록 기울어지게 설치된 수중 컨베이어에 의해 스크린으로 이송되고, 상기 수중 컨베이어에 의해 이송되어 상단에서 떨어진 파쇄된 조각들의 수분은 스크린 하부로 배출되어 여과기를 통과한 다음, 수조에 모인 후 재사용하는 것은 동일하다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 : 수중파쇄부
11, 15, 17 : 수조 12 : 수중 파쇄기
13 : 수중 컨베이어 14 : 스크린
16 : 여과기 20, 40, 60, 100 : 일반파쇄기
30 : 건조부 50, 70 : 분급기

Claims (9)

  1. 폐배터리가 완전 방전되었는지를 확인하여 완전 방전된 폐배터리가 투입되어 파쇄가 공기 중에서 이루어지는 슈레더 파쇄기;
    투입구로 완전 방전이 이루어지지 않은 폐배터리가 투입되면 수중에서 파쇄가 진행되는 수중파쇄부;
    상기 수중파쇄부에서 파쇄된 조각들과 상기 슈레더 파쇄기에서 파쇄된 조각들을 조금 더 잘게 파쇄하는 일반파쇄부;
    상기 파쇄된 조각들을 건조하는 건조부; 및
    상기 건조부에서 건조된 파쇄된 조각들을 분류하여 저장하는 분급부;
    를 포함하는 폐리튬이온배터리의 재활용 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수중파쇄부는 수중 파쇄기 하부에 설치되되 일부는 물에 잠기고 일부는 수중 상부로 노출되도록 기울어지게 설치되어 수중 파쇄된 조각들을 수중 상부로 이송시키는 수중 컨베이어를 포함하는 폐리튬이온배터리의 재활용 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수중 컨베이어에 의해 이송되어 상단에서 떨어지는 파쇄된 조각들을 지지하는 동시에 수분이 배출되는 스크린을 더 포함하는 폐리튬이온배터리의 재활용 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스크린 하부에 설치되고, 상기 파쇄된 조각들로부터 배출된 수분을 여과하는 여과기를 더 포함하는 폐리튬이온배터리의 재활용 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 여과기를 통과한 수분은 수조에 모이고, 상기 수조의 물은 상기 수중파쇄부로 제공되어 재사용되는 폐리튬이온배터리의 재활용 장치.
  7. 폐배터리가 완전 방전되었는지를 확인하는 단계;
    완전 방전이 이루어진 폐배터리를 공기중에서 일반파쇄하는 단계;
    완전 방전이 이루어지지 않은 폐배터리가 투입된 다음 수중에서 파쇄기에 의해 수중 파쇄되는 수중파쇄단계;
    상기 수중파쇄단계에서 파쇄된 조각들과 완전 방전이 이루어진 폐배터리를 일반파쇄하는 단계에서 파쇄된 조각들을 합쳐 더욱 잘게 공기 중에서 파쇄하는 일반파쇄단계;
    상기 파쇄된 조각들의 수분이 모두 제거되도록 건조하는 건조단계; 및
    상기 건조단계에서 건조된 파쇄된 조각들을 분류하여 저장하는 분급단계;
    를 포함하는 폐리튬이온배터리의 재활용 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 수중파쇄단계에서 파쇄된 조각은 일부는 물에 잠기고 일부는 수중 상부로 노출되도록 기울어지게 설치된 수중 컨베이어에 의해 스크린으로 이송되고, 상기 수중 컨베이어에 의해 이송되어 상단에서 떨어진 파쇄된 조각들의 수분은 스크린 하부로 배출되어 여과기를 통과한 다음, 수조에 모인 후 재사용되는 폐리튬이온배터리의 재활용 방법.
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