플래시 가열 기술로 배터리 폐기물에서 빠르고 저렴하게 유가금속 추출 - Physics World

플래시 가열 기술로 배터리 폐기물에서 빠르고 저렴하게 유가금속 추출 - Physics World

타임 스탬프 : 8 년 2023 월 4 일 오전 42:XNUMX

진항첸(왼쪽)과 제임스 투어
팀원: 진항첸(왼쪽)과 제임스 투어. 제공: Jeff Fitlow/Rice University)

리튬 이온 배터리 폐기물에서 금속을 직접 회수하는 비용 효과적인 새로운 방법은 이러한 유비쿼터스 장치가 환경에 미치는 영향을 크게 줄이는 동시에 재활용에 필요한 시간을 거의 100배 단축할 수 있습니다. 미국 라이스대학교 과학자들이 개발한 이 기술은 플래시 줄 가열(Flash Joule Heating)로 알려져 있으며 독성 용매 없이 현재 실험실 방법보다 적은 에너지를 사용하여 다른 형태의 전자 폐기물에서 귀중한 금속을 회수하는 데 이미 사용되었습니다.

"현재 전자 제품 폐기물이 연간 95%씩 증가하고 있음에도 불구하고 배터리의 9%는 재활용할 수 있는 능력이 없기 때문에 재활용되지 않습니다."라고 말합니다. 제임스 투어, 프로젝트를 주도한 라이스 나노과학자. 최근 전기 자동차의 인기로 인해 문제가 더욱 시급해졌습니다. 그는 이렇게 덧붙입니다. "전기 자동차의 배터리는 약 10년 동안 지속됩니다. 우리가 배터리를 사용한 지 약 10년이 되었기 때문에 그 중 많은 부분이 이제 만료될 예정입니다."

재활용되지 않은 사용한 배터리는 대부분 다른 형태의 전자 폐기물(e-폐기물)과 마찬가지로 매립지로 보내집니다. 전자 폐기물에는 일부 독성 물질을 포함한 중금속이 포함되어 있는 경우가 많기 때문에 이는 환경에 좋지 않습니다. 또한 전자 폐기물은 원칙적으로 로듐, 팔라듐, 은, 금과 같은 귀금속은 물론 크롬, 카드뮴, 납, 수은과 같은 덜 비싼 원소의 중요하고 지속 가능한 공급원이 될 수 있기 때문에 놓친 상업적 기회이기도 합니다.

문제는 전자 폐기물 재활용 방법이 완벽하지 않다는 것입니다. 가장 일반적인 것은 고온에서 용융된 금속 수프를 생성하는 건식 야금술(pyrometallurgy)을 기반으로 합니다. 이러한 방법은 선택성이 부족하고 에너지 집약적이며 위험한 중금속 함유 연기를 생성합니다. 특히 폐기물에 수은, 카드뮴 또는 납과 같이 상대적으로 낮은 융점을 갖는 금속이 포함되어 있는 경우 더욱 그렇습니다.

다른 기술은 산, 염기 또는 시안화물을 사용하여 전자 폐기물에서 금속을 침출시키는 습식 야금술을 사용합니다. 이러한 방법은 보다 선택적이지만 다량의 액체 또는 슬러지 폐기물을 생성하고 역학적으로 느리므로 규모 확장이 어려운 화학 반응을 수반합니다. Tour는 "현재 많은 배터리 재활용 프로세스에는 매우 강한 산이 사용되며 이는 지저분하고 번거로운 프로세스가 되는 경향이 있습니다."라고 말합니다.

또 다른 대안인 생물야금은 미생물의 자연적인 생물학적 과정을 활용하여 금속을 분리하지만 이 유망한 기술 계열은 아직 초기 단계에 있습니다.

순식간에 사라졌다

2020년에 Tour와 Rice의 동료들은 폐기물 음식 및 플라스틱과 같은 탄소원으로부터 그래핀을 생산하는 방법을 개발했습니다. 나중에 그들은 이 플래시 줄 가열 방법을 다음과 같이 적용했습니다. 전자 폐기물에서 귀금속을 회수하세요 남은 물질에서 독성 물질을 제거합니다.

이 기술은 전자 폐기물에 포함된 금속의 증기압이 탄소, 세라믹, 유리 등 다른 폐기물 구성 요소의 증기압과 매우 다르기 때문에 효과적입니다. 증발 분리라고 알려진 공정에서 연구원들은 1초 미만 동안 지속되는 강렬한 전류 펄스를 적용하여 폐기물을 3400K로 가열함으로써 플래시 챔버에서 이러한 금속을 기화시킵니다.

그런 다음 증기는 진공 상태에서 플래시 챔버에서 콜드 트랩으로 이동하여 구성 요소로 응축된다고 팀원 Bing Deng은 설명합니다. 트랩의 금속 혼합물은 확립된 정제 방법을 사용하여 추가로 정제될 수 있습니다.

검은 덩어리 활성화

최근 연구에서 Tour와 동료들은 이 과정을 리튬 이온 배터리의 양극과 음극에서 나오는 결합 폐기물인 소위 흑색 덩어리로 확장했습니다. 줄 가열 접근법을 사용하여 팀은 몇 초 내에 검은 덩어리를 2100K 이상의 온도로 가열했습니다. 이 초고속 고온 처리는 배터리 금속의 불활성 층을 제거하는 동시에 흑색 덩어리의 산화 상태를 낮추어 묽은 산에 용해되도록 합니다.

"우리가 발견한 것은 검은 덩어리를 '플래시'하면 저농도 염산만을 사용하여 중요한 금속을 쉽게 분리할 수 있다는 것입니다."라고 Tour는 설명합니다. “플래시가 금속을 해방시켜 더 쉽게 용해된다고 말할 수 있습니다. 우리는 여전히 산을 사용하고 있지만 그 양은 훨씬 적습니다.”

연구팀은 이 방법을 이용해 다양한 종류의 혼합 배터리 폐기물에서 금속을 98% 이상 회수했다. 더욱이 기존 방법을 사용하면 20시간이 걸리던 폐기물을 용해하는 데 24분도 채 걸리지 않습니다.

“업계에서는 전통적으로 흑색 덩어리를 재활용하려고 노력하지만 현재 재활용 전략은 복잡한 처리 절차와 상당한 에너지 소비 및 CO로 인해 제한됩니다.2 배출합니다.” 팀원인 Weiyin Chen이 말했습니다. “우리 공정의 가장 중요한 결과는 재활용 과정에서 산 사용량을 10배, 시간 소모를 100배로 줄이는 것입니다.”

라이스 연구원들은 이제 재활용 기술을 확대할 방안을 모색하고 있다고 말했습니다. "우리는 이미 실험실에서 킬로그램 수준의 회복을 입증했으며 플래시 줄 프로세스는 아마도 미래에 연속 시스템에 통합될 수 있을 것입니다."라고 Chen은 말했습니다. 물리 세계.

그들은 자신의 작업을 다음과 같이 설명합니다. 과학의 발전.

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