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Jul 21, 2023

폐리튬의 양극 열화에 대한 현상학적, 정량적 관점

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5671(2023) 이 기사 인용 본 연구는 리튬 이온 양극박 부식의 현상학적 관찰을 다룹니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5671(2023) 이 기사 인용

본 연구에서는 양극재로 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NMC)를 함유한 리튬이온 배터리의 양극박 부식에 대한 현상학적 관찰을 다루고 있습니다. 수분의 존재로 인해 NMC 표면에 국부적인 물 축적이 형성됩니다. 전해질에 흡수된 물은 Li+/H+ 교환 하에서 NMC와 반응하고 결과적인 pH 증가로 인해 캐리어 호일이 용해되고 NMC 표면에 특징적인 염류 꽃이 나타납니다. 시간당 알루미늄 호일의 구멍이 차지하는 상대 면적이 증가함에 따라 부식 정도를 정량적으로 결정하는 데 충분히 적합한 매개 변수가 발견되었습니다. 품질 저하 정도는 시간과 주변 습도에 따라 달라집니다. 부식이 진행됨에 따라 포일의 기계적 안정성이 감소하기 때문에 워터젯 방법을 사용한 기능적 재활용은 품질이 저하된 포일에 더 이상 적용할 수 없는 것으로 나타났습니다. SEM-EDX 및 LIBS(Laser-Induced-Breakdown-Spectroscopy)를 사용하여 꽃에서 리튬, 알루미늄, 황 및 산소가 검출되었습니다. 하부 NMC 층은 주로 알루미늄을 함유하고 비분해 물질보다 리튬 함량이 상당히 낮은 것으로 밝혀졌습니다. SEM 및 라만 현미경 분석에서도 활성 물질이 국부적으로 분해되어 더 이상 기능적 재활용에 적합하지 않은 것으로 나타났습니다.

리튬 이온 배터리(LIB)는 최근 수십 년 동안 전기 에너지 저장을 위한 주요 기술이 되었습니다. 이 기술의 적용 분야에는 스마트폰, 노트북, 태블릿, 도구는 물론 전기 자전거나 전기 자동차와 같은 모빌리티 애플리케이션도 포함됩니다. LIB는 다양한 디자인으로 제작됩니다. 원통형, 각형 또는 소위 파우치 셀로 제공됩니다. 예를 들어, LiCoO2(LCO), LiMnO2(LMO), LiNixMnyCozO2(NMC), LiNixCoyAlzO2(NCA) 또는 LiFePO4(LFP)가 양극재로 사용됩니다. 흑연과 점점 더 실리콘 또는 Li4Ti5O12(LTO)가 양극 재료로 사용됩니다. LiPF6는 유기 전해질의 전도성 염으로 자주 사용됩니다. 이는 매우 높은 이온 전도도를 나타내며 양극의 알루미늄 집전체를 부동화시킵니다1.

수명이 다한 리튬 이온 배터리는 폐기물이 아니라 새 배터리 생산에 시급히 필요한 모든 요소의 중요한 원자재 공급원입니다. 산업적 규모에서 건식 야금, 열 및 습식 야금 공정 단계를 기반으로 하는 공정이 최근 몇 년 동안 개발되었으며, 그 마지막에는 항상 리튬, 니켈, 망간 및 코발트로 구성된 음극 물질(NMC)의 화학적 분리가 이루어졌습니다. 개별 요소의 순수한 염. 그러나 이러한 공정에는 상당한 양의 에너지와 매우 다른 시약2,3,4,5,6,7,8,9,10,11이 필요합니다.

대조적으로, 문헌에서 직접 재활용11 또는 기능적 재활용12으로 언급되는 지금까지 사용된 프로세스보다 훨씬 더 에너지 및 자원 효율적인 새로운 접근 방식이 과학의 초점으로 다가오고 있습니다. 이 방법은 형태학적, 물리적, 화학적 특성을 대부분 유지하면서 시약을 최소한으로 사용하여 양극 물질을 회수하여 직접 다시 사용하거나 새로운 배터리 셀 생산을 위해 재생하는 것을 목표로 합니다.

기능적 재활용 원리를 세계 최초로 산업적으로 구현한 사례는 워터젯 공정을 통해 양극을 코팅하는 것입니다. 이 공정에서는 NMC, 전도성 카본 블랙 및 바인더로 구성된 코팅이 고압 워터젯을 사용하여 알루미늄 캐리어 호일에서 부드럽게 제거되며, 여기에 다양한 첨가제가 선택적으로 혼합될 수 있습니다. 비교적 간단한 이 기술은 알려진 다른 산업 재활용 공정에 비해 이 공정을 가장 효율적이고 환경 친화적으로 만듭니다13. 이 공정의 특별한 장점은 회수된 NMC 재생물의 높은 재료 품질이므로 새로운 양극 생산을 위한 새로운 음극 재료의 혼합물로 직접 사용할 수 있다는 것입니다.