폐배터리 블랙 매스 재활용 시장은 2025년 155억 달러 규모였으며, 2035년에는 650억 달러에 달할 것으로 예상되며, 연평균 복합 성장률은 15.21톤(TP3T)입니다. 이러한 성장은 전기 자동차, 가전제품, 에너지 저장 시스템에서 발생하는 수명이 다한 리튬 이온 배터리의 급증에 기인합니다. 재활용 업체들은 이러한 폐배터리를 배터리 등급의 원료로 다시 전환해야 한다는 압력을 받고 있으며, 블랙 매스 정제는 이러한 노력의 핵심입니다.
블랙 매스는 배터리가 방전, 분해 및 파쇄된 후 생성되는 어둡고 분말 형태의 혼합물입니다. 여기에는 양극 활성 물질, 흑연 음극 물질, 구리, 알루미늄 및 잔류 전해질이 포함됩니다. 재활용 업체가 이 물질을 정제하는 방식은 하류 전구체 재생 공정의 순도, 회수율 및 경제성을 결정합니다. 습식 야금 재활용은 이미 전체 배터리 재고량의 51.31톤을 차지하고 있습니다. 리튬 이온 배터리 재활용 2025년 시장에서도 고순도 금속 회수 분야에서의 강력한 입지를 반영할 것으로 예상됩니다.
흑미사란 무엇이며 왜 중요한가?
블랙 매스는 사용 후 리튬 이온 배터리를 기계적으로 처리하는 과정에서 생성되는 중간 생성물입니다. 주로 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 망간 코발트 산화물, 리튬 철 인산염과 같은 양극 활물질과 음극의 흑연, 구리 및 알루미늄 집전체 조각, 전해액 및 결합제에서 발생하는 유기 잔류물로 구성됩니다. 정확한 조성은 배터리 화학 성분, 제조업체 및 전처리 방법에 따라 달라집니다.
NMC 블랙 미사 일반적으로 5–20% 코발트, 5–15% 니켈, 2–6% 리튬, 2–10% 망간 및 15–25% 흑연을 포함합니다. LFP 블랙 매스 코발트나 니켈을 함유하지 않으므로, 회수 가능한 가치는 3–5% 리튬과 흑연에 집중됩니다.산업 흑색 매스 혼합 셀 화학 물질로 생성된 물질은 대략 40wt%의 흑연, 40wt%의 금속, 그리고 20wt%의 인 및 불소 화합물로 구성되어 있는 것으로 측정되었습니다.
이 소재는 재활용 과정에서 가장 높은 농도의 귀금속을 함유하고 있기 때문에 중요합니다. 배터리 등급의 순도로 이러한 금속을 회수하는 것이 재활용 순환을 완성하고 새로운 양극재 생산에 다시 투입하는 유일한 방법입니다. 정제 과정이 제대로 이루어지지 않으면 금속 손실, 제품 오염, 그리고 하류 공정에서 화학 물질 소비량 증가로 이어집니다.
습식 야금법 vs. 건식 야금법 전구체 재생
흑색 고형물을 유용한 금속 제품으로 변환하는 두 가지 주요 산업 경로는 다음과 같습니다. 수력야금 그리고 고온야금. 습식 야금 재활용은 금속 성분을 수용성 산성 용액에 용해시킨 후, 용매 추출, 침전 및 결정화를 통해 개별 금속을 분리합니다. 이 방법은 일반적으로 다음과 같은 결과를 얻습니다. 92–97% 리튬 회수 과정을 통해 전구체 합성에 적합한 고순도 염을 생산합니다. 습식야금은 2025년 전기차 배터리 재활용 부문에서 51.31톤의 시장 점유율을 차지할 것으로 예상됩니다.
고온 제련을 이용한 재활용은 금속을 코발트-니켈-구리 합금으로 환원하는 방식입니다. 이 합금은 이후 습식 제련 공정을 통해 개별 금속을 회수하는 정제 과정을 거칩니다. 이 방식은 혼합 및 오염된 원료를 처리하는 데 효과적이지만, 리튬은 상당량 규산염 슬래그로 손실됩니다. 고온 제련 공정을 통한 리튬 회수량은 일반적으로 톤당 50~701톤이며, 에너지 소비량은 습식 제련 공정에 비해 약 3~4배 높습니다.
세 번째 접근 방식인 직접 음극 재생이 주목받고 있습니다. 이 방식은 사용 후 음극 활물질을 용해하는 대신 결정 구조를 복구하는 것을 목표로 합니다. 직접 음극 재활용 시장은 2025년 5억 4,890만 달러 규모였으며, 2035년에는 67억 4천만 달러에 이를 것으로 예상되며, 연평균 성장률(CAGR)은 28.51톤/년입니다. 이 방법은 완전한 화학적 분해를 피하고 재제조 비용을 절감할 수 있지만, 기존 방식보다 더 깨끗하고 균일한 흑색 매스 원료가 필요합니다.
흑색질 정제 과정 단계별 설명
정제 과정은 안전한 방전 및 분해에서 시작됩니다. 사용 후 배터리 팩은 충전 상태가 제각각이며, 통제되지 않은 분해는 화재 및 열 폭주 위험을 초래합니다. 자동 방전 시스템은 기계적 처리가 시작되기 전에 이러한 위험을 줄여줍니다.
열 전처리 휘발성 전해질, 분리막 및 유기 결합제를 제거합니다. 온도 제어가 매우 중요합니다. 연구에 따르면 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 결합제는 두 단계에 걸쳐 분해됩니다. 부분 분해는 약 500°C에서 시작되며, 완전히 제거하려면 약 650°C가 필요합니다. 이러한 결합제를 제거하면 활성 물질과 집전체의 분리가 향상되고 하류 침출 회로에서 불소 오염이 감소합니다.
기계식 파쇄 이 공정은 모듈 또는 셀을 약 10~20mm 크기의 조각으로 분쇄하여 효율적인 후속 분리 공정을 가능하게 합니다. 그런 다음 재료는 자력 분리, 와전류 분리 및 밀도 기반 선별을 거쳐 강철, 구리, 알루미늄 및 플라스틱을 제거합니다. 남은 것은 검은색 덩어리인데, 활성 물질 입자를 노출시키고 침출 또는 직접 재생을 위해 준비하려면 추가적인 크기 축소가 필요합니다.
미세 분쇄 이 단계에서는 흑색 덩어리를 수백 마이크론 이하로 줄입니다. 이를 통해 금속 분리를 극대화하고 제련업체에서 샘플링 및 침출에 선호하는 균질하고 유동성이 좋은 분말을 얻을 수 있습니다. 최종 입자 크기 분포는 후속 공정과 투입 물질의 화학적 특성에 따라 달라집니다.
흑색 매스 정제에서 입자 크기 제어가 중요한 이유는 무엇일까요?
입자 크기는 금속 회수율과 공정 경제성에 직접적인 영향을 미칩니다. 입자가 작을수록 표면적이 넓어져 침출 속도가 빨라지고 산 소비량을 줄일 수 있습니다. 생물침출에 관한 한 연구에서는 입자 크기를 줄이면 리튬, 코발트, 니켈, 망간 추출 효율이 향상되며, 가장 미세한 입자 크기에서 최고 수율을 얻을 수 있다는 사실을 밝혀냈습니다.
하지만 과도한 분쇄는 문제를 야기합니다. 연성이 있는 구리 및 알루미늄 호일은 음극 코팅과 동일한 크기 범위로 뭉개지고 파쇄되어, 체와 밀도 분리기로 제거할 수 없는 미세 금속 입자가 혼입됩니다. 이러한 미세 입자는 불순물 함량을 높이고 시약 사용량을 증가시키며 최종 전구체 제품의 품질을 저하시킵니다. 따라서 목표는 단순히 가능한 한 가장 작은 입자를 얻는 것이 아니라, 분리 및 침출 단계에 적합한 좁고 제어된 입자 크기 분포를 얻는 것입니다.
제트밀 공기 분류기는 이러한 제어를 달성하는 데 도움이 됩니다. 제트 밀은 고속 가스 흐름을 사용하여 입자를 서로 충돌시켜 가속시킴으로써 볼 밀이나 해머 밀에서 발생하는 높은 기계적 마모와 오염 없이 미세 분말을 생성합니다. 공기 분류기는 입자의 크기와 밀도에 따라 입자를 분리하여 크기가 큰 물질은 추가 분쇄를 위해 되돌려 보내고 목표 입자 크기만 수집합니다. 일부 통합 시스템은 한 번의 통과 후 흑색 덩어리 불순물 수준이 1.5% 미만이라고 보고합니다.
흑인 매스 정제의 주요 과제
불순물 배터리 등급 전구체 생산에 가장 큰 장애물은 구리와 알루미늄입니다. 이 금속들은 전류 집전체와 분쇄 공정에서 블랙 매스에 혼입됩니다. 이러한 금속들은 침출 시약을 소모하고, 금속 황산염 제품을 오염시키며, 열처리 과정에서 안전 문제를 야기할 수 있습니다. 미세 분쇄 전에 효과적인 자기 분리, 와전류 분리, 밀도 분리를 실시하는 것이 첫 번째 방어선입니다.
PVDF 바인더 잔류물 또한 지속적인 문제입니다. 산 침출법은 금속을 효과적으로 제거하지만 흑연 부분에 불소를 남깁니다. 한 연구에서는 산 침출 후 잔류 불소 함량이 1.97~2.25 wt%에 달한다고 보고했는데, 이는 화학적 처리만으로는 결합제를 완전히 제거하기에 불충분하다는 것을 보여줍니다. 제어된 온도에서의 열처리 또는 용매 기반 결합제 제거는 재료가 후속 공정에 도달하기 전에 이러한 오염을 줄일 수 있습니다.
안전은 모든 단계에서 최우선 사항입니다. 사용 후 배터리는 잔류 전하를 띠고 있으며, 전해액은 가연성 및 독성이 있습니다. 또한, 검은 덩어리에서 발생하는 분진은 제대로 처리되지 않을 경우 폭발 위험이 있습니다. 따라서 작업자와 장비를 보호하기 위해 자동 방전, 불활성 분위기 처리, 분진 포집 및 가스 처리가 필수적입니다.
장비 선정: 흑미사 준비를 위한 제분 및 분류
재활용 업체는 오염 물질을 추가하거나 연성 금속을 과도하게 분쇄하지 않고 검은 덩어리를 처리할 수 있는 장비가 필요합니다. 제트 밀은 금속 대 금속 접촉이 아닌 입자 대 입자 충돌을 통해 분쇄하기 때문에 이러한 작업에 매우 적합합니다. 이는 철 오염을 줄이고 제품을 깨끗하게 유지합니다. 또한 회전하는 분쇄 매체가 없으므로 마모가 적고 마모성 배터리 재료를 처리할 때 유지 보수 비용이 절감됩니다.
공기 분류기는 입자 크기 분리 단계를 추가합니다. 이를 통해 작업자는 정밀한 분리 기준을 설정하여 미세한 흑색 입자와 굵은 구리 및 알루미늄 조각을 분리할 수 있습니다. 흑색 입자는 반응성이 높고 발화할 수 있으므로 불활성 가스 작동이 필요한 경우가 많습니다. 질소 또는 이산화탄소 분위기는 연소를 억제하면서 제품 품질을 유지합니다.
에픽 파우더 디자인 제트 밀링 배터리 소재 응용 분야를 위한 공기 분류 시스템도 제공합니다. 당사의 제트 밀은 미세 입자 분포를 생성하고 불활성 가스 환경에서 작동하므로 습식 야금 침출 또는 직접 재생 전에 흑색 덩어리의 크기를 줄이는 데 적합합니다. 통합 분쇄-분류 장치는 이송 단계를 줄이고 오염을 제한하며 처리량의 일관성을 향상시킵니다. 전구체 재생 라인을 구축하는 재활용 업체에게는 흑색 덩어리의 품질에 맞는 분쇄 및 분류 장비를 선택하는 것이 침출 화학 물질을 선택하는 것만큼 중요합니다.
흑색질 정제 및 전구체 재생의 미래 동향
규제가 강화되고 있습니다. EU 배터리 규정은 코발트, 구리, 납, 니켈의 회수율을 2027년 말까지 90%로, 2031년 말까지 95%로 상향 조정할 것을 요구합니다. 리튬 회수 목표는 2027년 말까지 50%, 2031년 말까지 80%입니다. 최소 재활용 함량 규정이 뒤따르는데, 2031년까지 신형 전기차 배터리에 재활용 리튬과 재활용 니켈을 각각 6%, 2036년까지 각각 12%와 15% 함유하도록 요구합니다. 이러한 규정은 재활용 업체들이 더 높은 회수율과 순도를 달성하도록 유도합니다.
직접 재생 방식은 가장 빠른 성장세를 보일 것으로 예상됩니다. 해당 시장은 연평균 28.51톤/3톤의 성장률을 기록하며 습식 제련 및 건식 제련 방식보다 훨씬 앞서고 있습니다. 이러한 성장은 구리, 알루미늄 및 결합제 함량이 낮은 깨끗한 흑색 매스를 생산하는 데 달려 있으며, 이는 상류 정제 및 입자 크기 제어의 중요성을 더욱 강조합니다.
자동화 및 공정 통합 또한 발전하고 있습니다. 재활용 업체들은 파쇄, 열처리, 분쇄, 분류 및 침출 공정을 실시간 모니터링이 가능한 연속 라인으로 연결하고 있습니다. 목표는 일관된 흑색 폐기물 품질, 낮은 단위 비용, 그리고 산업 규모에서 혼합 원료를 처리할 수 있는 능력입니다.
결론
폐배터리 정제는 사용후 배터리와 배터리 등급 전구체 재생 사이의 가교 역할을 합니다. 정제된 폐배터리의 조성과 입자 크기는 습식 제련, 건식 제련 및 직접 재생 공정 전반에 걸쳐 회수율, 시약 소비량 및 제품 순도를 결정합니다. 습식 제련은 높은 리튬 회수율과 고순도 제품을 제공하기 때문에 현재 가장 널리 사용되고 있지만, 건식 제련은 복잡한 원료에 여전히 유효하며, 직접 재생 공정도 빠르게 성장하고 있습니다. 규제가 강화되어 회수 목표치와 재활용 함량 요건이 높아짐에 따라 재활용 업체는 입자 크기 제어, 오염 감소 및 안전한 공정 처리에 더욱 신경 써야 할 것입니다. 제트 밀링 그리고 항공 안전 분류는 이러한 요구 사항을 충족하는 데 핵심적인 도구입니다.
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자주 묻는 질문
배터리 재활용 과정에서 '검은 덩어리'란 무엇인가요?
블랙 매스는 사용 후 리튬 이온 배터리를 파쇄하고 기계적으로 처리하는 과정에서 생성되는 검은색 분말 혼합물입니다. 여기에는 양극 활물질, 흑연, 구리, 알루미늄 및 잔류 유기 화합물이 포함되어 있습니다.
전구체 재생의 주요 방법은 무엇입니까?
주요 공정은 습식 제련, 건식 제련, 그리고 직접 음극 재생의 세 가지입니다. 습식 제련은 금속을 화학적으로 용해 및 분리하는 공정입니다. 건식 제련은 금속을 합금으로 만드는 공정입니다. 직접 재생은 사용 후 음극 재료의 결정 구조를 복원하는 공정입니다.
입자 크기는 블랙매스 정제에 어떤 영향을 미치나요?
입자가 미세할수록 금속 분리 및 침출 속도가 향상되지만, 과도한 분쇄는 구리와 알루미늄 미분 입자를 검은색 덩어리에 박히게 합니다. 높은 회수율과 낮은 오염을 위해서는 입자 크기 분포를 제어하는 것이 필수적입니다.
제트 밀링은 왜 흑색 매스 가공에 사용되는가?
제트 밀은 입자 간 충돌을 통해 입자 크기를 줄여 금속 오염과 마모를 최소화합니다. 또한 불활성 가스 환경에서도 잘 작동하여 반응성 흑색 매스에 중요한 안전 기능을 제공합니다.
재생 배터리 전구체의 순도 요구 사항은 무엇입니까?
배터리 등급 전구체는 일반적으로 구리, 철, 알루미늄과 같은 금속 불순물이 백만 분의 1 수준이어야 합니다. 정확한 사양은 양극 화학 조성과 최종 고객과의 품질 계약에 따라 달라집니다.
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— 제이슨 왕, 엔지니어