전기차에 대한 수요가 증가함에 따라 고성능 리튬이온(Li-ion) 배터리에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 리튬이온 배터리는 더욱 지속 가능한 에너지원으로 전환하는 데 중요한 역할을 수행하지만, 전체 수명 기간 동안 책임감 있는 방식으로 관리해야 합니다.
그림 1. 폐기된 리튬이온 자동차 배터리
적절한 배터리 재활용 방식은 배터리 재료를 계속 사용하여 폐기물과 오염을 줄이는 순환경제를 촉진합니다. 추출된 재료를 새 배터리로 다시 제조하거나 다른 응용 분야에 사용하여 새로운 생산을 위한 원자재의 필요성을 낮출 수 있습니다.
이 애플리케이션 노트에서는 리튬이온 배터리 재활용의 가치를 살펴보고, 배터리 재활용 프로세스를 공유하고, 휴대형 X선 형광(XRF) 기술이 어떻게 배터리 폐기물에서 가치 있는 금속을 효과적으로 회수하도록 지원하는지 알아보겠습니다.
녹색 미래를 위한 리튬이온 배터리 재활용의 중요성
리튬이온 배터리 재활용은 더욱 지속 가능한 미래를 추구하기 위해 따라야 할 중요한 프로세스입니다. 전기차에 대한 전력 공급부터 재생 에너지 저장에 이르기까지, 리튬이온 배터리는 현대 사회에서 중요한 역할을 수행합니다.
그러나, 배터리를 부적절하게 폐기하면 환경 문제와 자원 문제를 야기합니다. 리튬(Li), 코발트*(Co), 니켈(Ni)과 같은 가치 있는 금속을 회수할 수 있으므로 리튬이온 배터리 재활용은 매우 중요합니다. 이러한 재활용을 통해 자원 추출의 필요성을 줄이고 순환경제를 촉진할 수 있습니다. 또한 배터리 재활용을 통해 배터리에 포함된 유해 물질이 토양과 수자원에 침출되는 것을 방지하고 새 배터리 제조 시 발생하는 온실가스 방출을 최소화하여 환경에 대한 영향을 완화할 수 있습니다.
책임감 있는 재활용 관행을 통해 배터리의 수명을 연장하여 그 경제적 가치와 환경적 가치를 극대화할 수 있습니다. 배터리 재활용은 지속 가능한 에너지 환경을 조성하고, 천연 자원을 보존하고, 환경적 유해성을 최소화하기 위한 필수적인 활동입니다.
리튬이온 배터리 재활용 프로세스
효과적인 자원 회수를 수행하고 환경에 대한 영향을 줄이는 리튬이온 배터리 재활용은 몇 단계에 걸쳐 이루어집니다.
- 먼저, 사용된 배터리를 재활용 단체와 전자적 폐기물 시설과 같은 다양한 장소에서 수집합니다. 교차 오염을 방지하기 위해 이러한 배터리를 화학적 구성, 크기, 유형에 따라 분류합니다.
- 그 다음, 배터리는 전해액과 외부 케이스를 제거하는 전처리 단계를 거칩니다. 그리고 자연 연소의 위험을 방지하기 위해 처리 전에 리튬이온 배터리를 완전히 방전시킵니다. 처리를 위해 배터리를 준비한 다음, 기계적으로 작은 조각으로 분쇄합니다. 배터리 내부 구성 요소를 노출시키면 가치 있는 구성 요소를 더 효과적으로 추출하여 분리할 수 있습니다.
- 리튬(Li), 코발트(Co), 니켈(Ni), 납(Pb) 및 카드뮴(Cd) 등 배터리 내 가치 있는 금속을 추출하기 위해 여러 전문적 프로세스가 사용됩니다(그림 1 참조). 이러한 금속을 재활용하여 새 배터리 또는 다른 제품을 만드는 데 사용할 수 있으므로 자원을 채굴할 필요성이 적어집니다.
- 재활용의 또 하나의 목적은 플라스틱 구성 요소 회수입니다. 배터리 조각에서 분리된 플라스틱 요소는 재활용하거나 연료에 사용할 수 있으므로 또 다른 자원 보존 기회를 제공합니다.
- 리튬이온 배터리 양극과 같이 일부 배터리에서 얻은 전해액(블랙 매스 또는 블랙 파우더라고 부름)은 여러 독점적 프로세스를 통해 회수하여 새로운 용도로 사용하거나 적절한 폐기를 위해 처리할 수 있습니다. 이러한 프로세스 덕분에 위험할 수 있는 화합물을 적절하게 관리할 수 있습니다. 배터리 제조 동안 재작업이 필요한 리튬이온 배터리 양극(블랙 매스)은 회수, 테스트, 재사용될 수 있습니다.
- 배터리 재활용 프로세스 전반에서는 환경 규제를 엄격하게 준수합니다. 여기에는 위험 폐기물의 적절한 폐기, 폐수 처리, 배출 제어를 통해 환경과 인간의 건강에 대한 잠재적 유해성을 최소화하는 일이 포함됩니다.
- 마지막 단계는 기존의 법과 규정을 준수하면서 재활용 또는 회수가 불가능한 잔여 폐기물을 적절하게 처리하는 것입니다.
그림 2. 폐기된 리튬이온 배터리 재활용 프로세스(Zachary J. Baum, Robert E. Bird, Xiang Yu 및 Jia Ma. ACS Energy Letters 2022 7 (2), 712–719)
리튬이온 배터리 재활용을 통해 희소 자원을 보존하고, 원시 재료에 대한 수요를 낮추고, 더욱 친환경적인 배터리 제조 및 폐기 방법을 장려할 수 있습니다. 이러한 재활용 노력은 배터리 재료가 가능한 한 오래 순환되어 사용될 수 있는 순환경제에 기여합니다.
휴대형 XRF 분석이 리튬이온 배터리 재활용 프로세스를 지원하는 방식
Vanta™ 시리즈(그림 3)와 같은 휴대형 XRF 분석기는 작업자가 배터리 재활용 프로세스의 다양한 단계에서 샘플의 요소 구성을 테스트하도록 지원하여 리튬이온 배터리 재활용을 용이하게 합니다. Vanta 분석기는 현장에서 즉각적으로 결과를 제공하며, 해체 및 재료 분리 프로세스 그리고 침전 프로세스 동안 리튬(Li), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)과 같은 요소의 함량과 금속을 식별합니다. 이러한 분석을 통해 여러 배터리 유형을 신속하게 분리 및 식별하여 적절하게 재활용 프로세스를 진행할 수 있습니다.
그림 3. Vanta 휴대용 XRF 분석기
Vanta 휴대용 XRF 분석기는 또한 소비자의 건강과 환경에 유해한 납(Pb) 또는 수은(Hg)과 같은 불순물도 식별할 수 있습니다. Vanta 분석기는 통과/실패 여부를 결과로 알려주며 규제 대상 요소의 경우 검출 한계가 낮아 규정 준수 스크리닝이 쉬워집니다. 선택 사항인 카메라 및 무선 연결 기능은 데이터 보관 프로세스를 간소화합니다. 그러므로 Vanta 분석기는 사용된 리튬이온 배터리 폐기물의 품질과 순도를 규정과 표준을 준수하여 평가할 수 있는 유용한 도구입니다. 배터리 재활용 작업에 휴대형 XRF를 사용하면 생산성을 향상시키고, 지속 가능성을 높이고, 효율적인 폐기물 관리를 지원할 수 있습니다.
리튬이온 배터리 폐기물 샘플에 휴대형 XRF를 적용한 결과
그림 4는 리튬이온 배터리 폐기물 샘플(블랙 매스)을 Vanta 분석기로 분석한 XRF 결과를 보여줍니다. 이 결과는 Vanta 분석기가 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 및 망간(Mn)과 같은 금속을 블랙 매스에서 어떻게 분석하는지를 보여줍니다.
그림 4. 리튬이온 배터리 폐기물 샘플(블랙 매스)의 화학 구성에 관한 결과 및 스펙트럼
이러한 비파괴 분석은 샘플 준비 절차를 최소화하고 신속하고 정확한 결과를 제공합니다. 직관적인 사용자 인터페이스와 맞춤 구성 가능한 소프트웨어를 갖춘 Vanta 분석기는 사용하고 배우기 쉬우며 고처리량 테스트를 지원하고 생산성을 높입니다.
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