구연산을 이용한 배터리 재활용

간단하고, 고효율적이고, 저렴하며, 환경 친화적인 공정은 고갈된 리튬 이온 배터리(LIB)의 지속 가능한 재활용을 위한 실행 가능한 경로를 제공할 수 있습니다. NCM 배터리에 포함된 리튬, 니켈, 코발트, 망간 금속의 99% 이상을 침출하고 분리하기 위해 구연산 이외의 화학 물질을 추가할 필요가 없습니다. 연구팀이 저널 Angewandte Chemie 에 보고한 바에 따르면 , 재활용된 재료는 NCM 전극으로 직접 전환될 수 있습니다.

스마트폰부터 전기 자동차까지, 리튬 이온 배터리는 우리 일상생활 곳곳에 존재합니다.

또한 태양광 및 풍력 에너지를 저장하고 수요에 따라 전력망으로 다시 전송하기 때문에 재생 에너지로의 전환에 중요한 구성 요소이기도 합니다.

단점은 수명이 제한되어 있어 위험한 중금속과 기타 유해 물질이 포함된 수많은 LIB가 생성된다는 것입니다.

게다가 금속 자원도 고갈되고 있습니다.

대부분의 재활용 과정은 높은 에너지 사용, 높은 배출량, 제한적이거나 낮은 품질의 회수된 재료 등의 문제점을 안고 있습니다.

아니면 엄청나게 많은 양의 화학물질이 필요하고, 복잡하고 비용이 많이 들며, 유독 가스와 유출물을 생성합니다.

구연산과 같은 생체적합성 산을 이용한 침출은 이러한 공정에 대한 하나의 대안입니다.

그러나 기존의 공정(킬레이션-겔 공정)은 다량의 산이 필요하고, 암모니아를 이용해 pH 값을 지속적으로 조절해야 하는데, 이는 복잡하고 환경 친화적이지 못합니다.

Guangmin Zhou와 Ruiping Liu가 이끄는 중국광업기술대학(베이징), 푸저우대학, 베이징화학기술대학, 청화대학(심천, 중국)의 팀은 이제 NCM 양극에서 금속을 침출, 분리 및 회수할 수 있는 새로운 구연산 기반 방법을 개발했습니다.

NCM은 층상 구조로 니켈, 코발트, 망간을 함유한 혼합산화물입니다.

리튬 이온은 두 층 사이에 둘러싸여 있습니다.

이 방법의 비결은 기존 방법처럼 과도한 구연산을 사용하여 침출하는 대신, 그들은 비교적 적은 양을 사용한다는 것입니다.

이 때문에 구연산의 세 가지 산성기 중 두 가지만 해리됩니다.

방출된 양성자는 리튬-산소 결합을 분해하여 NCM에서 용액 중으로 리튬 이온을 방출합니다.

다른 금속 이온과 산소 이온 사이의 결합도 끊어집니다.

니켈, 코발트, 망간이 용액에 들어가면 구연산 음이온에 의해 안정된 복합체를 형성합니다.

그러면 구연산의 세 번째 산기가 같은 분자의 하이드록실기와 반응합니다.

고리 폐쇄는 분자 내 에스테르화(피셔 락톤화) 반응에서 발생합니다.

이를 통해 중간체끼리 반응하여 폴리에스터를 만들고, 폴리에스터는 젤 형태로 되어 쉽게 분리할 수 있는 고체 입자로 변합니다.

에너지 소비량과 CO2 배출량은 기존의 습식제련 재활용 공정에 비해 훨씬 적습니다.

겔은 이후 가열되어 유기 조각을 태워 없앨 수 있습니다. 이는 리튬 이온이 포함된 새로운 NCM 층상 프레임워크를 생성하며, 이는 고품질 전극 재료로 사용될 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241115124731.htm