의 급속한 발전과 함께 리튬 배터리 산업 리튬 배터리에 대한 시장 수요가 지속적으로 확대되고 있습니다, 리튬 배터리 재활용 는 필수적입니다. 이 글에서는 재활용 리튬 배터리 산업의 경직된 수요를 간략하게 분석하고 재활용 비용과 산업 최적화에 대해 소개합니다.
목차
리튬 배터리의 구성
리튬 이온 배터리(LIB)는 1990년 일본 소니가 개발 및 상용화에 성공하여 휴대용 전자 제품, 전기 자동차, 대규모 에너지 저장 장치 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
니켈 카드뮴 및 니켈-금속 수소 배터리와 비교하여 리튬 이온 배터리는 높은 에너지, 우수한 사이클 성능, 낮은 자체 방전 및 메모리 효과 없음의 장점이 있습니다. 리튬 이온 배터리의 주요 구성은 배터리 케이스와 배터리 셀을 포함하며, 배터리 셀은 음극, 양극, 분리막, 집전체 및 전해질을 포함합니다.
음극 88-89wt.% 음극 활성 물질, 7-8wt.% 아세틸렌 검정 전도제 및 3-4wt.% 유기 접착제를 10-20 마이크론 알루미늄 호일 유체 수집기에 균일하게 혼합하고 코팅하여 리튬 이온 배터리의 음극을 형성합니다.
일반적인 양극 활성 물질로는 리튬 인산철(LiFePO4, LFP), 리튬 코발트 산화물(LiCoO2, LCO), 니켈-코발트-망간 삼원계 물질(LiNixMnyCo1-x-yO2, NCM), 니켈-코발트-알루미늄 삼원계 물질(LiNixCoyAl1-x-yO2, NCA) 등이 있습니다.
양극 88-90wt.% 양극 활성 물질(흑연 또는 유사한 흑연 구조를 가진 탄소), 4-5wt.% 아세틸렌 검정 전도제 및 6-7wt.% 유기 결합제를 7-15미크론 구리 호일 수집액에 균일하게 혼합 및 코팅하여 리튬 이온 배터리의 양극을 형성합니다.
유기 전해질 주로 전해질 염, 유기 용매 및 첨가제로 구성됩니다. 전해질 리튬염에는 LiPF6, LiBF4 등이 포함됩니다. 유기 용매에는 에스테르, 에테르, 설폰, 니트릴 및 니트로 화합물이 포함됩니다. 첨가제는 SEI 필름 형성 첨가제, 음극 보호 첨가제, 리튬 염 안정제, 과충전 및 과방전 보호제, 난연 첨가제로 나눌 수 있습니다.
구분 기호 A 리튬 배터리 분리기 는 특수한 형태의 고분자 필름 미세 다공성 구조를 가지고 있어 리튬 이온은 자유롭게 통과하지만 전자는 통과할 수 없습니다. 주로 폴리올레핀 멤브레인(폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 기타 폴리머), 부직포 멤브레인(천연 섬유, 미세 섬유화된 셀룰로오스 및 셀룰로오스 나노 섬유) 및 세라믹 복합 멤브레인이 있습니다.
리튬 배터리 재활용에 대한 엄격한 수요
중국은 세계 최대의 리튬 이온 배터리 생산국이자 소비국입니다. 완전한 산업 체인과 국제 경쟁력을 갖춘 다수의 선도적인 배터리 회사가 있습니다. 최근 몇 년 동안 중국의 신에너지 산업 발전을 지원하는 정책이 계속되고 있으며, 신에너지 및 에너지 저장 분야가 빠른 성장세를 보이면서 재활용 리튬 배터리 산업이 동시에 급속히 확장되고 있습니다.
GGII에 따르면 2022년 중국의 리튬 이온 배터리 출하량은 655GWh로 전년 대비 +100.3%이며, 이 중 전력 배터리는 중국에서 가장 큰 리튬 이온 배터리 하위 카테고리로 2022년 73%를 차지합니다.
전기 자동차의 핵심 부품인 전력 배터리의 설치 용량은 전기 자동차 판매량과 동시에 성장했습니다. 중국자동차제조협회에 따르면 2022년 중국 전기차 판매량은 688만 7,000대로 전년 대비 +95.6%, 프로스트 앤 설리반에 따르면 전력 배터리 설치 용량은 294.6GWh로 전년 대비 +90.7%입니다.
2022-2025년 연평균 성장률 291%, 2025-2030년 연평균 성장률 221%에 따라 계산하면 중국의 전력 배터리 설치 용량은 2025년 632GWh, 2030년 1707GWh에 달할 것으로 추정됩니다.
현재 전원 배터리의 배터리 수명은 약 8~10년이지만, 전기자동차 전원 배터리의 경우 배터리 용량이 정격 용량의 80%로 감소하면 더 이상 사용 요건을 충족하지 못하므로 실제 유효 수명은 약 5~7년입니다. 폐기 후 전원 배터리는 직접 재활용하거나 성능 요구 사항이 낮은 시나리오에서 사용할 수 있습니다.
캐스케이드 활용은 용량이 정격 용량의 70-80% 이하로 감소한 전원 배터리에 적합합니다. 이러한 배터리는 전기 자동차 사용 기준을 충족하지 못하지만 남은 배터리 용량으로 다른 장비의 에너지 수요를 충족할 수 있습니다.
이 유형의 배터리는 분해, 선별, 재조립 후 소형 배터리 팩으로 시스템 통합할 수 있으며, 저속 전기 자동차(전기 자전거, 고속 차량 등), 태양광 가로등, 통신 기지국 등 높은 에너지 밀도가 필요하지 않은 일부 분야에서 사용됩니다. 배터리 용량이 40% 이상 감소한 파워 배터리의 경우 해체 및 재활용 프로세스에 들어갑니다.
리튬 인산철 배터리의 평균 사이클 수명이 상대적으로 길기 때문에(4000회) 배터리 용량 감쇠 모드가 느리고 균일하여 캐스케이드 활용에 더 적합합니다. 반면 삼원계 배터리의 평균 수명은 상대적으로 짧고(2000회) 안정성이 떨어집니다. 또한 니켈, 코발트, 망간과 같은 희귀 금속이 포함되어 있어 재활용 방법은 주로 해체 및 재활용입니다.
점차 성장하고 있는 폐리튬 배터리 재활용 시장의 경우, 재활용의 필요성은 주로 환경 보호와 경제성이라는 두 가지 측면에서 반영됩니다.
환경 보호의 관점에서 재활용 리튬 배터리에는 다양한 중금속, 유기 및 무기 화합물 및 기타 독성 및 유해 물질이 포함되어 있으며 토양, 물 및 대기로 누출되면 심각한 오염을 유발합니다. 코발트, 니켈, 구리, 알루미늄, 망간 및 기타 금속도 누적 효과가 있으며 먹이사슬을 통해 인체에 농축되어 큰 해를 끼칩니다.
따라서 인체 건강과 환경의 지속 가능한 발전을 보장하기 위해 재활용 리튬 배터리의 중앙 집중식 무해한 처리를 수행하고 그 안에있는 금속 재료를 재활용해야합니다. 또한 사용한 파워 배터리의 원료를 재활용하면 광석 원재료의 탄소 배출량을 40% 이상 효과적으로 줄일 수 있습니다.
경제적 관점에서 볼 때, 재활용 리튬 배터리의 양극재에는 일반적으로 리튬, 코발트, 니켈, 뮴과 같은 귀중한 금속 원소가 포함되어 있으며 금속 함량은 일부 천연 광석보다 훨씬 높습니다. 광석에서 귀금속을 추출하려면 높은 비용과 에너지 소비가 필요하며, 재활용 리튬 배터리에서 이러한 금속을 재활용하면 고순도 제품을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 비용을 효과적으로 절감하고 상당한 경제적 이익을 창출할 수 있습니다.
사용한 배터리의 재활용 가능한 금속
현재 업계의 주요 원자재는 배터리 팩 또는 음극 생산 과정에서 발생하는 폐 배터리 팩과 스크랩에서 나옵니다. 재활용 물체의 관점에서 폐 배터리/스크랩의 재활용은 주로 금속 재료입니다. 주로 쉘, 유체 수집기 및 음극재에 분포되어 있습니다.
쉘과 유체 수집기의 금속은 기본적으로 구리, 알루미늄, 철 등 단순한 물질의 형태로 존재합니다. 금속 원소의 회수는 비교적 간단하며 초기 단계에서 해체 및 스트리핑을 통해 완료할 수 있습니다. 음극의 금속에는 코발트, 니켈, 리튬, 망간, 알루미늄, 철 등이 포함됩니다. 희소 금속은 가치가 높지만 화합물 형태로 존재하기 때문에 재활용이 어렵기 때문에 현재 재활용 공정의 핵심이기도 합니다.
양극재 생산 스크랩의 회수를 위해: 총 질량의 88-89wt.%는 음극 활물질, 7-8wt.%는 아세틸렌 흑색 전도제, 3-4wt.%는 유기 접착제입니다.
폐 배터리 팩 / 배터리 팩 생산 스크랩 재활용 : 리튬 철 인산염 배터리 팩의 경우 모노머가 60%, 쉘이 24%를 차지합니다. 그중 양극 활물질인 인산철 리튬은 32.1%를 차지하므로 리튬 인산철 배터리 팩 전체에서 인산철 리튬은 약 20%를 차지합니다.
삼원계 폴리머 재활용 리튬 배터리 팩의 경우, 모노머가 68.2%, 쉘이 21%를 차지합니다. 그 중 양극재는 삼원계 재활용 리튬 배터리 질량의 39%를 차지합니다. 기준 양극재의 88-89 와트.%는 양극 활물질이므로 삼원계 재활용 리튬 배터리 팩 전체의 경우 삼원계 물질이 약 24%를 차지합니다.
배터리 재활용 프로세스
리튬 배터리를 재활용하는 주요 공정은 습식 제련, 고온 제련, 복합 공정, 수리 및 재생 공정의 네 가지입니다. 전통적인 재활용 공정은 주로 습식 야금과 열 야금 재활용입니다.
전 세계적으로 가장 널리 사용되는 재활용 공정은 주로 파이로 야금에 기반합니다. 전처리된 활성 물질을 고온의 소각로에 넣어 유기물을 제거하고, 제련하여 금속 합금을 얻은 다음 침출/추출 공정을 통해 금속 화합물을 얻습니다.
구체적인 작업 측면에서 폐배터리의 재활용 및 처리는 주로 전처리, 2차 처리, 고급 처리의 세 가지 공정으로 나뉩니다. 전처리에는 주로 심층 방전, 파쇄 및 물리적 분류가 포함됩니다.
2차 처리는 양극과 음극 활성 물질을 기판에서 분리하는 것으로 주로 열처리, 유기 용매 용해, 잿물 용해 등이 포함됩니다. 고급 처리에는 침출과 분리 및 정제가 포함되며, 유가 금속 물질의 추출은 리튬 배터리 재활용 공정의 핵심입니다.
재활용 리튬 배터리는 방전, 해체, 파쇄, 선별 등의 전처리 단계를 거쳐 양극, 음극, 분리막을 분리한 후 파쇄, 체질, 자기 분리 등의 작업을 거쳐 고부가 가치의 불용 양극 분말을 얻게 됩니다.
양극재는 파이로 야금 또는 하이드로 야금으로 처리하여 양극재의 전구체를 회수하고 일정량의 리튬 염과 혼합한 후 소결하여 새로운 양극재를 생성합니다. 이 두 가지 재활용 공정은 배터리 내 재료의 원래 구성과 구조를 완전히 파괴하고 새로운 원료 합성을 위한 전구체로서 그 안에 있는 원소를 추출합니다.
새로운 직접 재활용 기술은 일반적으로 고유의 구조를 파괴하지 않고 고장난 재료의 구성과 구조에서 시작됩니다. 배터리 재료 구조적 재생을 달성하여 재료의 전기화학적 활성을 복원합니다. 양극재를 직접 회수하는 주요 기술로는 고상법, 용융염법, 열수 용해법, 저유전 용매법, 대기압 용해법 등이 있습니다.
고상 방식: 간단하고 널리 사용되지만 에너지 소비가 높습니다.
용융 소금 방법: 반응 온도는 낮지만 리튬염의 양과 열처리 시간이 엄격하게 요구됩니다.
수열 석회화: 온도가 낮고 시간이 짧으며 반응이 균일하지만 고압 환경에서는 특정 안전 위험이 있습니다.
저유전성 용매 방법: 상압에서 고장난 음극의 재생을 실현할 수 있으며, DES는 친환경적이고 재활용이 가능하여 재활용 비용을 크게 줄일 수 있으며 대규모 복구에 사용될 것으로 예상됩니다. 그러나 현재 관련 연구는 거의 없으며, 다양한 양극재에 적합한 DES 시스템을 개발해야 합니다.
현재 재활용 리튬 배터리의 직접 재생 공정은 아직 실험적인 연구 개발 단계에 있으며 아직 대규모로 사용되지 않고 있습니다.
중국의 배터리 재활용은 주로 전통적인 공정인 해체 + 제련을 기반으로 합니다. 재활용 업체는 먼저 해체된 배터리를 수작업/기계적으로 분해하여 다양한 재료로 나누고, 해체를 주 사업으로 하는 업체는 쉘 플라스틱, 알루미늄 분말, 구리 분말, 음극 분말 등 다양한 재료를 하류 관련 업체에 판매하고, 하류에서 제련을 합니다.
집적도가 높은 기업들은 폐분말을 직접 제련하여 황산코발트, 황산니켈과 같은 황산염으로 만들거나 수산화니켈, 수산화코발트 등의 전구체로 만들기도 합니다.
리튬 배터리 재활용의 비용 및 제품 가치
비용 관점에서 배터리 재활용의 비용 구조는 주로 폐 배터리 자체 비용과 처리 비용의 두 부분으로 나뉩니다. 폐배터리 자체 비용은 일반적으로 전체의 50%를 초과하며 기타 처리 비용에는 보조 재료 비용, 연료 및 전력 비용, 환경 관리 비용, 장비 비용, 인건비 및 기타 비용 (부지비, 공공 요금, 세금)이 포함됩니다.
리튬 배터리 재활용의 경우, 배터리 팩 회수 가격이 톤당 18,000위안이라고 가정할 때, (배터리 팩 구매를 제외한) 톤당 파이로야금 및 하이드로야금 재활용 비용은 각각 5900위안/톤, 11300위안/톤이며, 총 재활용 비용은 23900위안/톤, 29300위안/톤입니다.
삼원 재활용 리튬 배터리의 경우 배터리 팩 회수 가격이 톤당 38,000위안이고, (배터리 팩 구매를 제외한) 파이로 야금 및 하이드로 야금 재활용 비용이 톤당 각각 6,000위안과 14,400위안이며, 총 재활용 비용이 각각 44,000위안과 52,400위안/톤이라고 가정해 보겠습니다.
건식 공정은 비교적 간단하고 재활용 비용이 저렴하지만 제품에 불순물이 많고 처리 과정에서 오염이 많으며 대상 재활용 리튬 배터리의 회수율이 습식 야금 공정보다 낮기 때문에 일부 공정 결함이 있습니다.
따라서 현재 중국의 배터리 재활용 생산 라인은 주로 습식 제련입니다. 리튬 인산철 배터리의 경우 현재 주요 재활용 제품은 고철 구리, 탄산 리튬 및 인산 철입니다.
리튬 인산철 전력 배터리 팩을 예로 들면, 모노머의 무게는 약 60%, 모노머의 양극재 무게는 약 32.1%(활성 물질이 양극재의 88-89%를 차지), 구리 호일의 무게는 약 10.8%입니다.
동박의 회수율이 98%, 탄산 리튬이 90%, 인산 철이 95%라고 가정하면 리튬 인산 철 배터리 팩 1톤에서 폐동 63.5kg, 탄산 리튬 35.9kg, 인산 철 154.8kg을 추출할 수 있으며 이는 리튬 인산 철 배터리 팩의 주요 회수 제품 값인 17,000위안/톤에 해당합니다.
비용 및 수입 회계를 통해 현재 재활용 리튬 배터리 산업은 2022 년 이후 원자재 끝에서 폐 배터리 팩의 높은 프리미엄으로 인해 여전히 작은 이익 또는 심지어 손실 상태에 있습니다. 이전에는 리튬 가격이 낮았기 때문에 삼원계 배터리의 재활용은 주로 니켈과 코발트를 사용했기 때문에 가격 할인 요소는 니켈과 코발트의 가치 만 반영합니다.
22 년 동안 리튬 가격은 급격히 상승했으며 리튬의 가치를 반영하기 위해 니켈과 코발트의 할인 계수는 더 높게 조정할 수밖에 없습니다. 중첩 업계 참여자들은 중고 배터리 팩 자원을 놓고 치열하게 경쟁하고 있으며 배터리 팩의 할인 계수는 일반 70-80%에서 최대 200% 이상으로 치솟았으며 실제 가치 수준과 큰 편차가 있습니다.
배터리 재활용 산업 최적화
배터리 재활용 산업 체인 참여자들에게 시장 정상화 이후의 발전 추세는 원자재의 안정적인 확보, 재활용 공정의 비용 단순화 및 제품 수율 향상에 더욱 집중되어야합니다.
재활용 리튬 배터리 소스 채널 표준화
원자재 획득의 관점에서 볼 때 산업 초기에 규범과 표준이 부족하여 프론트 엔드 폐 배터리 재활용 시스템의 무질서가 발생했으며 많은 비공식 제조업체가 높은 가격으로 인수 경쟁을 벌여 공식 기업의 공간을 압박했습니다.
정식 업체는 재활용 자격, 채널, 기술 및 규모 측면에서 완벽한 시스템과 운영 능력을 갖추고 있지만, 폐배터리 자원 채널의 경우 정식 채널을 선택하면 더 높은 비용을 지불해야 합니다. 예를 들어, 일반 기업은 나중에 판매할 때 부가가치세를 상쇄하기 위해 리튬 배터리 재활용 송장이 필요하므로 소규모 재활용 업체는 추가 비용이 발생합니다. 따라서 원자재 공급업체는 소규모 작업장이나 중고차 시장을 선호하는 경향이 있습니다.
전문 타사 재활용 회사와 달리 OEM은 해체 된 리튬 배터리를 폐기 할 권리가 있지만 배터리 제조 후 공정의 에코 레벨 활용에 더 익숙합니다. 스크랩 재활용 공정은 주로 해체 및 야금, 차량 공장의 기술적 이점 부족, 높은 장비 투자, 인건비 및 기술 비용, 재활용 리튬 배터리가 부담이되었습니다.
따라서 OEM은 일반적으로 타사 재활용 회사, 재료 회사, 야금 회사 등과 협력하는 방식을 선택합니다. OEM은 본체 및 자원 측면에서 폐배터리와 기술 지도를 제공하고 후속 공정 및 생산은 파트너가 완료합니다.
프로세스 최적화
공정 흐름의 관점에서 볼 때 중국 기업의 공정 모드, 제련 기술 및 용량 규모는 기본적으로 동일하며, 기업 간 회수율과 수익 수준의 차이는 주로 전처리 전단에서의 해체 자동화 정도와 전단에서의 파쇄 및 선별 및 후단에서의 제련 수율, 비용 절감 및 효율성의 두 가지 측면에서 최적화 프로세스에 반영됩니다.
지능형 분해 프런트 엔드 수동 해체에는 많은 문제가 있으며 인텔리전스는 업계의 미래 초점입니다. 프런트 엔드 전처리 공정에서 기존 생산 라인의 분쇄 및 스크리닝은 기본적으로 자동화되어 공급의 한쪽 끝 (분해 된 모듈)과 제품의 한쪽 끝을 실현할 수 있습니다.
그러나 다양한 파워 배터리 팩, 다양한 브랜드 모델, 복잡한 구조 및 불확실한 폐기 상태로 인해 배터리 팩의 껍질과 단일 배터리의 외부 포장은 여전히 주로 수작업으로 분해되고 있습니다.
대량 배터리 분해 시 수동 분해에는 많은 문제가 있습니다. 배터리 팩 전압은 높지만 내부 배선 하니스 배열이 복잡하여 감전 및 단락 위험이 있습니다. 배터리 팩 내부에는 많은 양의 접착제가 있어 무차별 대입으로 분해해야 합니다. 한편, 해체 효율을 높이고 인건비를 절감하는 데에도 주의를 기울여야 합니다. 따라서 지능형 해체는 업계가 집중해야 할 큰 주제입니다.
수작업이 아닌 기계로 전력 재활용 리튬 배터리를 지능적이고 유연하게 분해하기 위해 주요 단계는 3D 카메라 데이터 수집 시스템 구축, 상단 커버 나사 멀티 로봇 협업 분해, 상단 커버 처리, 배터리 모듈 처리, 분해된 제품의 지능형 분류, 모듈 및 코어 밀링 및 기타 단계로 구성됩니다.
지능형 해체와 관련된 주요 혁신 포인트는 다양한 배터리 모델의 외형 다양화, 구성 요소의 지능적인 인식 및 파악, 수년간의 작동 후 발생하는 변형으로 인해 해체 시스템이 특정 상황에 따라 동적으로 조정되어야 한다는 것입니다.
습식 야금 재활용 리튬 배터리의 리튬 금속 회수율은 85-90%에 불과하며 여전히 개선의 여지가 있습니다. 재활용 리튬 배터리의 한계는 주로 니켈-코발트-망간 용액의 추출 및 불순물 제거 과정에서 폐기물 잔류물에 10%의 리튬 이온이 흡착되는 데서 비롯됩니다.
삼원계 배터리 블랙 파우더의 산 침출 후 용액에서 리튬은 가장 작고 가장 활성도가 높은 금속으로, 앞 소성 환원 공정에서 80%의 탄산 리튬을 추출할 수 있지만, 니켈, 코발트 및 망간 추출 공정의 2단계에서 형성된 슬래그는 10%의 리튬 이온을 흡착하여 탄산 리튬 3단계의 결정화 회수가 감소하므로 현재 공정에서 리튬의 회수율은 90%를 초과하기 어렵습니다.
수율 향상을 위한 프런트 엔드 리튬 추출 공정의 최적화 외에도 최종 재활용 리튬 배터리도 비용 절감의 여지가 있습니다. 현재 최종 니켈-코발트 라피네이트에서 리튬을 회수하기 위해 주로 MVR 증발 공정을 사용하여 농축하고 용액의 수분을 증발시켜 리튬 농도를 높인 다음 백엔드에서 리튬의 침전을 완료합니다.
MVR 증발 공정의 장점은 기술이 성숙하고 널리 사용되지만 운영 과정에서 많은 전력을 소비해야하며 (탄산 리튬 1 톤의 MVR 장비 생산에는 9000KWH의 전력을 소비해야 함) 비용이 높다는 것입니다.
이를 바탕으로 업계의 일부 회사는 흡착 + 멤브레인 및 추출과 같은보다 경제적 인 솔루션으로 리튬 농도를 달성하고 MVR 장비의 사용을 줄이려고합니다. 흡착 + 멤브레인의 농도는 주로 흡착 및 탈착 과정을 통해 증가하며 추출은 추출 및 역 추출을 통해 이루어집니다.
MVR 공정에 비해 이 두 공정의 전력 소비량은 크게 줄어들고 흡착제, 멤브레인, 추출제 및 기타 시약의 소비량만 증가합니다. 초기 투자 비용도 MVR 공정보다 적기 때문에 기업의 비용 절감에 도움이 됩니다.
Greeny
안녕하세요, 저는 중국의 유명 대학을 졸업하고 물리학 석사 학위를 취득한 Greeny입니다. 저는 리튬 배터리 산업에서 5년 이상의 전문 엔지니어 경력과 배터리 스왑 스테이션의 설계 및 제조에 대한 전문 지식을 보유하고 있습니다. 저는 전문적인 지식으로 오토바이 배터리 교체에 대한 서비스와 솔루션을 제공하기 위해 최선을 다하고 있습니다. 저는 항상 배터리 스왑 스테이션에 대한 빠르고 신뢰할 수있는 양질의 서비스를 제공하기 위해 여기에 있습니다.
리튬 배터리 재활용 산업 보고서
리튬 배터리의 구성
리튬 이온 배터리(LIB)는 1990년 일본 소니가 개발 및 상용화에 성공하여 휴대용 전자 제품, 전기 자동차, 대규모 에너지 저장 장치 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 니켈 카드뮴 및 니켈-금속 수소 배터리와 비교하여 리튬 이온 배터리는 높은 에너지, 우수한 사이클 성능, 낮은 자체 방전 및 메모리 효과 없음의 장점이 있습니다. 리튬 이온 배터리의 주요 구성은 배터리 케이스와 배터리 셀을 포함하며, 배터리 셀은 음극, 양극, 분리막, 집전체 및 전해질을 포함합니다.음극
88-89wt.% 음극 활성 물질, 7-8wt.% 아세틸렌 검정 전도제 및 3-4wt.% 유기 접착제를 10-20 마이크론 알루미늄 호일 유체 수집기에 균일하게 혼합하고 코팅하여 리튬 이온 배터리의 음극을 형성합니다.
일반적인 양극 활성 물질로는 리튬 인산철(LiFePO4, LFP), 리튬 코발트 산화물(LiCoO2, LCO), 니켈-코발트-망간 삼원계 물질(LiNixMnyCo1-x-yO2, NCM), 니켈-코발트-알루미늄 삼원계 물질(LiNixCoyAl1-x-yO2, NCA) 등이 있습니다.
양극
88-90wt.% 양극 활성 물질(흑연 또는 유사한 흑연 구조를 가진 탄소), 4-5wt.% 아세틸렌 검정 전도제 및 6-7wt.% 유기 결합제를 7-15미크론 구리 호일 수집액에 균일하게 혼합 및 코팅하여 리튬 이온 배터리의 양극을 형성합니다.
유기 전해질
주로 전해질 염, 유기 용매 및 첨가제로 구성됩니다. 전해질 리튬염에는 LiPF6, LiBF4 등이 포함됩니다. 유기 용매에는 에스테르, 에테르, 설폰, 니트릴 및 니트로 화합물이 포함됩니다. 첨가제는 SEI 필름 형성 첨가제, 음극 보호 첨가제, 리튬 염 안정제, 과충전 및 과방전 보호제, 난연 첨가제로 나눌 수 있습니다.
구분 기호
A 리튬 배터리 분리기 는 특수한 형태의 고분자 필름 미세 다공성 구조를 가지고 있어 리튬 이온은 자유롭게 통과하지만 전자는 통과할 수 없습니다. 주로 폴리올레핀 멤브레인(폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 기타 폴리머), 부직포 멤브레인(천연 섬유, 미세 섬유화된 셀룰로오스 및 셀룰로오스 나노 섬유) 및 세라믹 복합 멤브레인이 있습니다.
리튬 배터리 재활용에 대한 엄격한 수요
중국은 세계 최대의 리튬 이온 배터리 생산국이자 소비국입니다. 완전한 산업 체인과 국제 경쟁력을 갖춘 다수의 선도적인 배터리 회사가 있습니다. 최근 몇 년 동안 중국의 신에너지 산업 발전을 지원하는 정책이 계속되고 있으며, 신에너지 및 에너지 저장 분야가 빠른 성장세를 보이면서 재활용 리튬 배터리 산업이 동시에 급속히 확장되고 있습니다.
GGII에 따르면 2022년 중국의 리튬 이온 배터리 출하량은 655GWh로 전년 대비 +100.3%이며, 이 중 전력 배터리는 중국에서 가장 큰 리튬 이온 배터리 하위 카테고리로 2022년 73%를 차지합니다.
전기 자동차의 핵심 부품인 전력 배터리의 설치 용량은 전기 자동차 판매량과 동시에 성장했습니다. 중국자동차제조협회에 따르면 2022년 중국 전기차 판매량은 688만 7,000대로 전년 대비 +95.6%, 프로스트 앤 설리반에 따르면 전력 배터리 설치 용량은 294.6GWh로 전년 대비 +90.7%입니다.
2022-2025년 연평균 성장률 291%, 2025-2030년 연평균 성장률 221%에 따라 계산하면 중국의 전력 배터리 설치 용량은 2025년 632GWh, 2030년 1707GWh에 달할 것으로 추정됩니다.
현재 전원 배터리의 배터리 수명은 약 8~10년이지만, 전기자동차 전원 배터리의 경우 배터리 용량이 정격 용량의 80%로 감소하면 더 이상 사용 요건을 충족하지 못하므로 실제 유효 수명은 약 5~7년입니다. 폐기 후 전원 배터리는 직접 재활용하거나 성능 요구 사항이 낮은 시나리오에서 사용할 수 있습니다.
캐스케이드 활용은 용량이 정격 용량의 70-80% 이하로 감소한 전원 배터리에 적합합니다. 이러한 배터리는 전기 자동차 사용 기준을 충족하지 못하지만 남은 배터리 용량으로 다른 장비의 에너지 수요를 충족할 수 있습니다.
이 유형의 배터리는 분해, 선별, 재조립 후 소형 배터리 팩으로 시스템 통합할 수 있으며, 저속 전기 자동차(전기 자전거, 고속 차량 등), 태양광 가로등, 통신 기지국 등 높은 에너지 밀도가 필요하지 않은 일부 분야에서 사용됩니다. 배터리 용량이 40% 이상 감소한 파워 배터리의 경우 해체 및 재활용 프로세스에 들어갑니다.
리튬 인산철 배터리의 평균 사이클 수명이 상대적으로 길기 때문에(4000회) 배터리 용량 감쇠 모드가 느리고 균일하여 캐스케이드 활용에 더 적합합니다. 반면 삼원계 배터리의 평균 수명은 상대적으로 짧고(2000회) 안정성이 떨어집니다. 또한 니켈, 코발트, 망간과 같은 희귀 금속이 포함되어 있어 재활용 방법은 주로 해체 및 재활용입니다.
점차 성장하고 있는 폐리튬 배터리 재활용 시장의 경우, 재활용의 필요성은 주로 환경 보호와 경제성이라는 두 가지 측면에서 반영됩니다.
환경 보호의 관점에서 재활용 리튬 배터리에는 다양한 중금속, 유기 및 무기 화합물 및 기타 독성 및 유해 물질이 포함되어 있으며 토양, 물 및 대기로 누출되면 심각한 오염을 유발합니다. 코발트, 니켈, 구리, 알루미늄, 망간 및 기타 금속도 누적 효과가 있으며 먹이사슬을 통해 인체에 농축되어 큰 해를 끼칩니다.
따라서 인체 건강과 환경의 지속 가능한 발전을 보장하기 위해 재활용 리튬 배터리의 중앙 집중식 무해한 처리를 수행하고 그 안에있는 금속 재료를 재활용해야합니다. 또한 사용한 파워 배터리의 원료를 재활용하면 광석 원재료의 탄소 배출량을 40% 이상 효과적으로 줄일 수 있습니다.
경제적 관점에서 볼 때, 재활용 리튬 배터리의 양극재에는 일반적으로 리튬, 코발트, 니켈, 뮴과 같은 귀중한 금속 원소가 포함되어 있으며 금속 함량은 일부 천연 광석보다 훨씬 높습니다. 광석에서 귀금속을 추출하려면 높은 비용과 에너지 소비가 필요하며, 재활용 리튬 배터리에서 이러한 금속을 재활용하면 고순도 제품을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 비용을 효과적으로 절감하고 상당한 경제적 이익을 창출할 수 있습니다.
사용한 배터리의 재활용 가능한 금속
현재 업계의 주요 원자재는 배터리 팩 또는 음극 생산 과정에서 발생하는 폐 배터리 팩과 스크랩에서 나옵니다. 재활용 물체의 관점에서 폐 배터리/스크랩의 재활용은 주로 금속 재료입니다. 주로 쉘, 유체 수집기 및 음극재에 분포되어 있습니다.
쉘과 유체 수집기의 금속은 기본적으로 구리, 알루미늄, 철 등 단순한 물질의 형태로 존재합니다. 금속 원소의 회수는 비교적 간단하며 초기 단계에서 해체 및 스트리핑을 통해 완료할 수 있습니다. 음극의 금속에는 코발트, 니켈, 리튬, 망간, 알루미늄, 철 등이 포함됩니다. 희소 금속은 가치가 높지만 화합물 형태로 존재하기 때문에 재활용이 어렵기 때문에 현재 재활용 공정의 핵심이기도 합니다.
양극재 생산 스크랩의 회수를 위해: 총 질량의 88-89wt.%는 음극 활물질, 7-8wt.%는 아세틸렌 흑색 전도제, 3-4wt.%는 유기 접착제입니다.
폐 배터리 팩 / 배터리 팩 생산 스크랩 재활용 : 리튬 철 인산염 배터리 팩의 경우 모노머가 60%, 쉘이 24%를 차지합니다. 그중 양극 활물질인 인산철 리튬은 32.1%를 차지하므로 리튬 인산철 배터리 팩 전체에서 인산철 리튬은 약 20%를 차지합니다.
삼원계 폴리머 재활용 리튬 배터리 팩의 경우, 모노머가 68.2%, 쉘이 21%를 차지합니다. 그 중 양극재는 삼원계 재활용 리튬 배터리 질량의 39%를 차지합니다. 기준 양극재의 88-89 와트.%는 양극 활물질이므로 삼원계 재활용 리튬 배터리 팩 전체의 경우 삼원계 물질이 약 24%를 차지합니다.
배터리 재활용 프로세스
리튬 배터리를 재활용하는 주요 공정은 습식 제련, 고온 제련, 복합 공정, 수리 및 재생 공정의 네 가지입니다. 전통적인 재활용 공정은 주로 습식 야금과 열 야금 재활용입니다.
전 세계적으로 가장 널리 사용되는 재활용 공정은 주로 파이로 야금에 기반합니다. 전처리된 활성 물질을 고온의 소각로에 넣어 유기물을 제거하고, 제련하여 금속 합금을 얻은 다음 침출/추출 공정을 통해 금속 화합물을 얻습니다.
구체적인 작업 측면에서 폐배터리의 재활용 및 처리는 주로 전처리, 2차 처리, 고급 처리의 세 가지 공정으로 나뉩니다. 전처리에는 주로 심층 방전, 파쇄 및 물리적 분류가 포함됩니다.
2차 처리는 양극과 음극 활성 물질을 기판에서 분리하는 것으로 주로 열처리, 유기 용매 용해, 잿물 용해 등이 포함됩니다. 고급 처리에는 침출과 분리 및 정제가 포함되며, 유가 금속 물질의 추출은 리튬 배터리 재활용 공정의 핵심입니다.
재활용 리튬 배터리는 방전, 해체, 파쇄, 선별 등의 전처리 단계를 거쳐 양극, 음극, 분리막을 분리한 후 파쇄, 체질, 자기 분리 등의 작업을 거쳐 고부가 가치의 불용 양극 분말을 얻게 됩니다.
양극재는 파이로 야금 또는 하이드로 야금으로 처리하여 양극재의 전구체를 회수하고 일정량의 리튬 염과 혼합한 후 소결하여 새로운 양극재를 생성합니다. 이 두 가지 재활용 공정은 배터리 내 재료의 원래 구성과 구조를 완전히 파괴하고 새로운 원료 합성을 위한 전구체로서 그 안에 있는 원소를 추출합니다.
새로운 직접 재활용 기술은 일반적으로 고유의 구조를 파괴하지 않고 고장난 재료의 구성과 구조에서 시작됩니다. 배터리 재료 구조적 재생을 달성하여 재료의 전기화학적 활성을 복원합니다. 양극재를 직접 회수하는 주요 기술로는 고상법, 용융염법, 열수 용해법, 저유전 용매법, 대기압 용해법 등이 있습니다.
고상 방식: 간단하고 널리 사용되지만 에너지 소비가 높습니다.
용융 소금 방법: 반응 온도는 낮지만 리튬염의 양과 열처리 시간이 엄격하게 요구됩니다.
수열 석회화: 온도가 낮고 시간이 짧으며 반응이 균일하지만 고압 환경에서는 특정 안전 위험이 있습니다.
저유전성 용매 방법: 상압에서 고장난 음극의 재생을 실현할 수 있으며, DES는 친환경적이고 재활용이 가능하여 재활용 비용을 크게 줄일 수 있으며 대규모 복구에 사용될 것으로 예상됩니다. 그러나 현재 관련 연구는 거의 없으며, 다양한 양극재에 적합한 DES 시스템을 개발해야 합니다.
현재 재활용 리튬 배터리의 직접 재생 공정은 아직 실험적인 연구 개발 단계에 있으며 아직 대규모로 사용되지 않고 있습니다.
중국의 배터리 재활용은 주로 전통적인 공정인 해체 + 제련을 기반으로 합니다. 재활용 업체는 먼저 해체된 배터리를 수작업/기계적으로 분해하여 다양한 재료로 나누고, 해체를 주 사업으로 하는 업체는 쉘 플라스틱, 알루미늄 분말, 구리 분말, 음극 분말 등 다양한 재료를 하류 관련 업체에 판매하고, 하류에서 제련을 합니다.
집적도가 높은 기업들은 폐분말을 직접 제련하여 황산코발트, 황산니켈과 같은 황산염으로 만들거나 수산화니켈, 수산화코발트 등의 전구체로 만들기도 합니다.
리튬 배터리 재활용의 비용 및 제품 가치
비용 관점에서 배터리 재활용의 비용 구조는 주로 폐 배터리 자체 비용과 처리 비용의 두 부분으로 나뉩니다. 폐배터리 자체 비용은 일반적으로 전체의 50%를 초과하며 기타 처리 비용에는 보조 재료 비용, 연료 및 전력 비용, 환경 관리 비용, 장비 비용, 인건비 및 기타 비용 (부지비, 공공 요금, 세금)이 포함됩니다.
리튬 배터리 재활용의 경우, 배터리 팩 회수 가격이 톤당 18,000위안이라고 가정할 때, (배터리 팩 구매를 제외한) 톤당 파이로야금 및 하이드로야금 재활용 비용은 각각 5900위안/톤, 11300위안/톤이며, 총 재활용 비용은 23900위안/톤, 29300위안/톤입니다.
삼원 재활용 리튬 배터리의 경우 배터리 팩 회수 가격이 톤당 38,000위안이고, (배터리 팩 구매를 제외한) 파이로 야금 및 하이드로 야금 재활용 비용이 톤당 각각 6,000위안과 14,400위안이며, 총 재활용 비용이 각각 44,000위안과 52,400위안/톤이라고 가정해 보겠습니다.
건식 공정은 비교적 간단하고 재활용 비용이 저렴하지만 제품에 불순물이 많고 처리 과정에서 오염이 많으며 대상 재활용 리튬 배터리의 회수율이 습식 야금 공정보다 낮기 때문에 일부 공정 결함이 있습니다.
따라서 현재 중국의 배터리 재활용 생산 라인은 주로 습식 제련입니다. 리튬 인산철 배터리의 경우 현재 주요 재활용 제품은 고철 구리, 탄산 리튬 및 인산 철입니다.
리튬 인산철 전력 배터리 팩을 예로 들면, 모노머의 무게는 약 60%, 모노머의 양극재 무게는 약 32.1%(활성 물질이 양극재의 88-89%를 차지), 구리 호일의 무게는 약 10.8%입니다.
동박의 회수율이 98%, 탄산 리튬이 90%, 인산 철이 95%라고 가정하면 리튬 인산 철 배터리 팩 1톤에서 폐동 63.5kg, 탄산 리튬 35.9kg, 인산 철 154.8kg을 추출할 수 있으며 이는 리튬 인산 철 배터리 팩의 주요 회수 제품 값인 17,000위안/톤에 해당합니다.
비용 및 수입 회계를 통해 현재 재활용 리튬 배터리 산업은 2022 년 이후 원자재 끝에서 폐 배터리 팩의 높은 프리미엄으로 인해 여전히 작은 이익 또는 심지어 손실 상태에 있습니다. 이전에는 리튬 가격이 낮았기 때문에 삼원계 배터리의 재활용은 주로 니켈과 코발트를 사용했기 때문에 가격 할인 요소는 니켈과 코발트의 가치 만 반영합니다.
22 년 동안 리튬 가격은 급격히 상승했으며 리튬의 가치를 반영하기 위해 니켈과 코발트의 할인 계수는 더 높게 조정할 수밖에 없습니다. 중첩 업계 참여자들은 중고 배터리 팩 자원을 놓고 치열하게 경쟁하고 있으며 배터리 팩의 할인 계수는 일반 70-80%에서 최대 200% 이상으로 치솟았으며 실제 가치 수준과 큰 편차가 있습니다.
배터리 재활용 산업 최적화
배터리 재활용 산업 체인 참여자들에게 시장 정상화 이후의 발전 추세는 원자재의 안정적인 확보, 재활용 공정의 비용 단순화 및 제품 수율 향상에 더욱 집중되어야합니다.
재활용 리튬 배터리 소스 채널 표준화
원자재 획득의 관점에서 볼 때 산업 초기에 규범과 표준이 부족하여 프론트 엔드 폐 배터리 재활용 시스템의 무질서가 발생했으며 많은 비공식 제조업체가 높은 가격으로 인수 경쟁을 벌여 공식 기업의 공간을 압박했습니다.
정식 업체는 재활용 자격, 채널, 기술 및 규모 측면에서 완벽한 시스템과 운영 능력을 갖추고 있지만, 폐배터리 자원 채널의 경우 정식 채널을 선택하면 더 높은 비용을 지불해야 합니다. 예를 들어, 일반 기업은 나중에 판매할 때 부가가치세를 상쇄하기 위해 리튬 배터리 재활용 송장이 필요하므로 소규모 재활용 업체는 추가 비용이 발생합니다. 따라서 원자재 공급업체는 소규모 작업장이나 중고차 시장을 선호하는 경향이 있습니다.
전문 타사 재활용 회사와 달리 OEM은 해체 된 리튬 배터리를 폐기 할 권리가 있지만 배터리 제조 후 공정의 에코 레벨 활용에 더 익숙합니다. 스크랩 재활용 공정은 주로 해체 및 야금, 차량 공장의 기술적 이점 부족, 높은 장비 투자, 인건비 및 기술 비용, 재활용 리튬 배터리가 부담이되었습니다.
따라서 OEM은 일반적으로 타사 재활용 회사, 재료 회사, 야금 회사 등과 협력하는 방식을 선택합니다. OEM은 본체 및 자원 측면에서 폐배터리와 기술 지도를 제공하고 후속 공정 및 생산은 파트너가 완료합니다.
프로세스 최적화
공정 흐름의 관점에서 볼 때 중국 기업의 공정 모드, 제련 기술 및 용량 규모는 기본적으로 동일하며, 기업 간 회수율과 수익 수준의 차이는 주로 전처리 전단에서의 해체 자동화 정도와 전단에서의 파쇄 및 선별 및 후단에서의 제련 수율, 비용 절감 및 효율성의 두 가지 측면에서 최적화 프로세스에 반영됩니다.
지능형 분해
프런트 엔드 수동 해체에는 많은 문제가 있으며 인텔리전스는 업계의 미래 초점입니다. 프런트 엔드 전처리 공정에서 기존 생산 라인의 분쇄 및 스크리닝은 기본적으로 자동화되어 공급의 한쪽 끝 (분해 된 모듈)과 제품의 한쪽 끝을 실현할 수 있습니다.
그러나 다양한 파워 배터리 팩, 다양한 브랜드 모델, 복잡한 구조 및 불확실한 폐기 상태로 인해 배터리 팩의 껍질과 단일 배터리의 외부 포장은 여전히 주로 수작업으로 분해되고 있습니다.
대량 배터리 분해 시 수동 분해에는 많은 문제가 있습니다. 배터리 팩 전압은 높지만 내부 배선 하니스 배열이 복잡하여 감전 및 단락 위험이 있습니다. 배터리 팩 내부에는 많은 양의 접착제가 있어 무차별 대입으로 분해해야 합니다. 한편, 해체 효율을 높이고 인건비를 절감하는 데에도 주의를 기울여야 합니다. 따라서 지능형 해체는 업계가 집중해야 할 큰 주제입니다.
수작업이 아닌 기계로 전력 재활용 리튬 배터리를 지능적이고 유연하게 분해하기 위해 주요 단계는 3D 카메라 데이터 수집 시스템 구축, 상단 커버 나사 멀티 로봇 협업 분해, 상단 커버 처리, 배터리 모듈 처리, 분해된 제품의 지능형 분류, 모듈 및 코어 밀링 및 기타 단계로 구성됩니다.
지능형 해체와 관련된 주요 혁신 포인트는 다양한 배터리 모델의 외형 다양화, 구성 요소의 지능적인 인식 및 파악, 수년간의 작동 후 발생하는 변형으로 인해 해체 시스템이 특정 상황에 따라 동적으로 조정되어야 한다는 것입니다.
습식 야금
재활용 리튬 배터리의 리튬 금속 회수율은 85-90%에 불과하며 여전히 개선의 여지가 있습니다. 재활용 리튬 배터리의 한계는 주로 니켈-코발트-망간 용액의 추출 및 불순물 제거 과정에서 폐기물 잔류물에 10%의 리튬 이온이 흡착되는 데서 비롯됩니다.
삼원계 배터리 블랙 파우더의 산 침출 후 용액에서 리튬은 가장 작고 가장 활성도가 높은 금속으로, 앞 소성 환원 공정에서 80%의 탄산 리튬을 추출할 수 있지만, 니켈, 코발트 및 망간 추출 공정의 2단계에서 형성된 슬래그는 10%의 리튬 이온을 흡착하여 탄산 리튬 3단계의 결정화 회수가 감소하므로 현재 공정에서 리튬의 회수율은 90%를 초과하기 어렵습니다.
수율 향상을 위한 프런트 엔드 리튬 추출 공정의 최적화 외에도 최종 재활용 리튬 배터리도 비용 절감의 여지가 있습니다. 현재 최종 니켈-코발트 라피네이트에서 리튬을 회수하기 위해 주로 MVR 증발 공정을 사용하여 농축하고 용액의 수분을 증발시켜 리튬 농도를 높인 다음 백엔드에서 리튬의 침전을 완료합니다.
MVR 증발 공정의 장점은 기술이 성숙하고 널리 사용되지만 운영 과정에서 많은 전력을 소비해야하며 (탄산 리튬 1 톤의 MVR 장비 생산에는 9000KWH의 전력을 소비해야 함) 비용이 높다는 것입니다.
이를 바탕으로 업계의 일부 회사는 흡착 + 멤브레인 및 추출과 같은보다 경제적 인 솔루션으로 리튬 농도를 달성하고 MVR 장비의 사용을 줄이려고합니다. 흡착 + 멤브레인의 농도는 주로 흡착 및 탈착 과정을 통해 증가하며 추출은 추출 및 역 추출을 통해 이루어집니다.
MVR 공정에 비해 이 두 공정의 전력 소비량은 크게 줄어들고 흡착제, 멤브레인, 추출제 및 기타 시약의 소비량만 증가합니다. 초기 투자 비용도 MVR 공정보다 적기 때문에 기업의 비용 절감에 도움이 됩니다.