Resources Recycling (자원리싸이클링)

The Korean Institute of Resources Recycling (한국자원리싸이클링학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Thermogravimetric Analysis of Black Mass Components from Li-ion Battery

폐이차전지 블랙 매스(Black Mass) 구성 성분의 열중량 특성 분석

  • Kwanho Kim (Mineral Processing & Metallurgy Research Center, The Resources Utilization Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM)) ;
  • Kwangsuk You (Mineral Processing & Metallurgy Research Center, The Resources Utilization Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM)) ;
  • Minkyu Kim (Resources Engineering, KIGAM school, University of Science and Technology) ;
  • Hoon Lee (Mineral Processing & Metallurgy Research Center, The Resources Utilization Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM))
  • 김관호 (한국지질자원연구원 자원활용연구본부 자원회수연구센터) ;
  • 유광석 (한국지질자원연구원 자원활용연구본부 자원회수연구센터) ;
  • 김민규 (한국과학기술연합대학원 한국지질자원연구원스쿨 자원전공) ;
  • 이훈 (한국지질자원연구원 자원활용연구본부 자원회수연구센터)
  • Received : 2023.11.30
  • Accepted : 2023.12.11
  • Published : 2023.12.31
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

With the growth of the battery industry, a rapid increase in the production and usage of lithium-ion batteries is expected, and in line with this, much interest and effort is being paid to recycle waste batteries, including production scrap. Although much effort has been made to recycle cathode material, much attention has begun to recycle anode material to secure the supply chain of critical minerals and improve recycling rates. The proximate analysis that measures the content of coal can be used to analyze graphite in anode material, but it cannot accurately analyze due to the interaction between the components of the black mass. Therefore, in this study, thermogravimetric analysis of each component of black mass was measured as the temperature increased up to 950℃ in an oxygen atmosphere. As a result, in the case of cathode material, no change in mass was measured other than a mass reduction of about 5% due to oxidation of the binder and conductive material. In the case of anode material, except for a mass reduction of about 2% due to the binder, all mass reduction were due to the graphite(fixed carbon). In addition, metal conductors (Al, Cu) were oxidized and their mass increased as the temperature increased. Thermal analysis results of mixed samples of cathode/anode show similar results to the predictive values that can be calculated through each cathode and anode analysis results.

이차전지 산업의 성장과 함께 이차전지의 생산량과 사용량의 급격한 증가가 예상되며, 이와 맞물려 생산 스크랩을 포함한 폐이차전지의 재활용에도 많은 관심과 노력이 이루어지고 있다. 그동안 폐이차전지 재활용은 양극재를 중심으로 많은 노력이 이루어졌지만, 핵심 광물의 공급망 확보와 재활용률 향상을 위해 음극재의 재활용에도 많은 관심이 기울이기 시작하였다. 음극재의 주성분인 흑연 분석을 위해 석탄의 함량을 측정하는 공업분석이 활용될 수 있지만, 기존의 석탄 분석에 활용되는 공업분석 방법은 블랙 매스의 구성 성분 간의 상호작용으로 인해 정확한 측정이 불가능하다. 이에 본 연구에서는 산소 분위기에서 950℃까지의 온도 상승에 따른 블랙 매스 각 성분의 열중량 변화를 측정하였다. 측정 결과 양극재의 경우에는 양극재에 포함된 바인더와 도전재의 산화에 의한 약 5%의 질량 감소 이외에는 질량 변화가 측정되지 않았으며, 음극재의 경우에는 약 2%의 바인더에 의한 질량 감소 이외에는 모두 고정 탄소에 의한 질량 감소로 측정되었다. 또한 블랙 매스에 함유될 수 있는 금속 전극(Al, Cu)들은 온도가 상승함에 따라 산화되어 질량이 증가하는 현상이 관찰되었다. 다양한 혼합 비율의 양극재/음극재 혼합 시료의 열중량 변화 측정 결과는 양극재와 음극재 각각의 열중량 변화를 통해 계산할 수 있는 예측값과 유사한 결과를 보여, 블랙 매스의 열중량 특성 변화를 통해 음극재의 함량 도출이 가능할 수 있음을 확인하였다.

Keywords

Acknowledgement

본 연구는 산업부의 재원으로 한국에너지기술평가원에서 시행한 저탄소 고부가 전극 재제조 혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행한 연구입니다(No. 20221B1010003A, 23-4853)

References

  1. Grand View Research, 2021 : Lithium-ion Battery Market Size, Share & Trends Analysis Report by Product, By Application, By Region, And Segment Forecasts, 2022-2030.
  2. SNE research, 2023 : Recycling/Reuse Technology trends and market outlook (~2040).
  3. Z. J.Baum, R. E.Bird, X. Yu, et al., 2022 : Lithium-ion battery recycling - Overview of Techniques and Trends, ACS Energy Lett., 7, pp.712-719 https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c02602
  4. M. Contestabile, S. Panero, B. Scrosati, 1999: A laboratory-scale ilthium battery recycling process, Journal of Power Sources, 83, pp.75-78. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(99)00261-X
  5. P. Zhang, T. Yokoyama, O. Itabashi, et al., 1999 : Recovery of metal values from spent nickel-metal hydride rechargeable batteries, Journal of Power Sources, 77, pp.116-122. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(98)00182-7
  6. G. Mishra, R. Jha, A. Meshram, et al., 2022 : A review on recycling of lithium-ion batteries to recover critial metals, Journal of Environmental Chemical Engineering, 10(6), 108534.
  7. H. Ali, H. A. Khan, M. Pecht, 2022 : Preprocessing of spent lithium-ion batteries for recycling : Need, methods, and trends, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 168, 112809.
  8. B. Niu, J. Xiao, Z. Xu, 2022 : Advances and challenges in anode graphite recycling from spent lithium-ion batteries, Journal of Hazardous Materials, 439(5), 129678.
  9. R. Zhan, Z.Oldenburg, L. Pan, 2018 : Recovery of active cathode materials from lithium-ion batteries using froth flotation, Sustainable Materials and Technolgies, 17, e00062.
  10. T. O. Folayan, A. L. Lipson, J. L. Durham, et al., 2021 : Direct Recycling of Blended Cathode Materials by Froth Flotation, Energy Technology, 9, 2100468.
  11. A. Vanderbruggen, A. Salces, A. Ferreira, et al., 2022 : Improving Sepration Efficiency in End-of-Life Lithium-Ion Batteries Flotation Using Attrition Pre-Treatment, 2022, 12, 72.
  12. A. M. Salces, I. Bremerstein, M. Rudolph, et al., 2022 : Joint recovery of graphite and lithium metal oxides from spent lithium-ion batteries using froth flotation and investigation on process water re-use, Minerals Engineering, 184, 107670.
  13. ASTM D 7582-15, 2015 : Standard Test Methods for Proximate Analysis of Coal and Coke by Marco Thermogravimetric Analysis.
  14. C. J. Greet, R. St. C. Smart, 1997 : The effect of size separation by cyclosizing and sedimentation/decantation on mineral surfaces, Minerals Engineering, 10(9), pp.995-1011. https://doi.org/10.1016/S0892-6875(97)00079-4
  15. S. Babanejad, H. Ahmed, C. Andersson, et al., 2022 : High-Temperature Behavior of Spent Li-ion Battery Black Mass in Inert Atmosphere, Journal of Sustainable Metallurgy, 8, pp.556-581. https://doi.org/10.1007/s40831-022-00514-y
  16. O. S. Kwon, I. Shon, 2020 : Fundamental thermokinetic study of a sustainable lithium-ion battery pyrometallurgical recyling process, Resources, Conservation & Recycling, 158, 104809.
  17. M. A. Trunov, M. Schoenitz, E. L. Dreizin, 2006 : Effect of polymorphic phase transformations in alumina layer on ignition of aluminium particles, Combusition Theory and Modelling, 10(4), pp.603-623. https://doi.org/10.1080/13647830600578506