特開 2024-55855 二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムおよび炭素選別方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024055855

(43)【公開日】2024-04-18

(54)【発明の名称】二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムおよび炭素選別方法

(51)【国際特許分類】

   B07B 4/02 20060101AFI20240411BHJP

   B04C 5/26 20060101ALI20240411BHJP

【ＦＩ】

B07B4/02

B04C5/26

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023174491

(22)【出願日】2023-10-06

(31)【優先権主張番号】10-2022-0128291

(32)【優先日】2022-10-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(71)【出願人】

【識別番号】523381000

【氏名又は名称】インスティテュート・フォー・アドバンスト・エンジニアリング

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＦＯＲ ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】キム・デウォン

(72)【発明者】

【氏名】ジン・ユンホ

(72)【発明者】

【氏名】キム・ボラム

(72)【発明者】

【氏名】キム・ヒソン

【テーマコード（参考）】

4D021

4D053

【Ｆターム（参考）】

4D021FA02

4D021GA02

4D021GA29

4D021HA10

4D053AA03

4D053AB01

4D053BA07

4D053BB02

4D053BC01

4D053BD04

4D053CD21

4D053DA10

(57)【要約】

【課題】ブラックパウダーに含まれている有価金属を効果的に回収できるようにする二次電池ブラックパウダーの炭素選別システム及び炭素選別方法を提供する。
【解決手段】本発明は、二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムおよび炭素選別方法に関する。そのうち炭素選別システムは、パウダー原料を供給するための原料供給機と、パウダー原料が上下方向に流動可能に上下方向に延びて形成される長チャンバを提供する主反応器と、主反応器内のパウダー原料が流動するように長チャンバにガスを供給するガス供給機と、主反応器の上端部に接続され、主反応器の上端部に浮遊したパウダー原料を供給してもらいパウダー原料から炭素を捕集するサイクロンユニットとを含むことができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パウダー原料を供給するための原料供給機；
前記パウダー原料が上下方向に流動可能に上下方向に延びて形成される長チャンバを含む主反応器；
前記主反応器内の前記パウダー原料が流れるように前記長チャンバにガスを供給するガス供給機；及び
前記主反応器の上端部に接続され、前記主反応器の前記上端部に浮遊した前記パウダー原料を供給してもらい、前記パウダー原料から炭素を回収するサイクロンユニットを含む、
二次電池ブラックパウダーの炭素選別システム。

【請求項2】

前記主反応器は、
上端部に前記原料供給機を接続し、下端部に前記ガス供給機を接続し、内部に前記長チャンバを設ける反応本体；及び
前記長チャンバの下部に配置され、前記ガスが通過するように複数の分散孔を提供する分散板を含む、
請求項１に記載の二次電池ブラックパウダーの炭素選別システム。

【請求項3】

前記分散孔は、
１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲の直径を有する、
請求項２に記載の二次電池ブラックパウダーの炭素選別システム。

【請求項4】

前記ガス供給機は、
１～１００ＬＰＭ（Ｌｉｔｅｒ／Ｍｉｎ）の範囲のガスを前記主反応器に供給して前記パウダー原料を流動させる、
請求項１に記載の二次電池ブラックパウダーの炭素選別システム。

【請求項5】

前記サイクロンユニットは、
前記主反応器の前記上端部に連続的に接続され、前記主反応器から供給された前記パウダー原料から前記炭素を連続的に回収する複数のサイクロンを含む、
請求項１に記載の二次電池ブラックパウダーの炭素選別システム。

【請求項6】

前記複数のサイクロンユニットは、
前記主反応器の前記上端部に連続的に接続される第１サイクロンと第２サイクロンとを含み、
前記第１サイクロンは、
遠心力を使用して炭素が予め設定された量より多く含まれている前記パウダー原料を１次選別する第１サイクロン部；
１次選別された前記パウダー原料を捕集するために前記第１サイクロン部の下端に接続される第１回収部；
前記主反応器の前記上端部と前記第１サイクロン部との間を接続する第１流入管部；及び
前記第１サイクロン部で上昇旋回するパウダー原料を前記第１サイクロン部の外部に案内する第１排出管部を含み、
前記第２サイクロンは
遠心力を使用して炭素が所定の量より多く含まれている前記パウダー原料を２次選別する第２サイクロン部；
２次選別された前記パウダー原料を捕集するために前記第２サイクロン部の下端に接続される第２回収部；
前記第１排出管部と前記第２サイクロン部とを接続する第２流入管部；及び
前記第２サイクロン部で上昇旋回する前記パウダー原料を前記第２サイクロン部の外部に案内する第２排出管部を含む、
請求項５に記載の二次電池ブラックパウダーの炭素選別システム。

【請求項7】

前記主反応器および前記サイクロンユニットの内壁にはフッ素樹脂コーティング（ＰＴＦＥ）が形成される、
請求項１に記載の二次電池ブラックパウダーの炭素選別システム。

【請求項8】

前記反応本体は、
１段本体部；及び
前記１段本体部の直径より大きい直径を有するように前記１段本体部の上部に傾斜して接続する２段本体部を含み、
前記２段本体部の直径は、前記１段本体部の直径よりも２倍以上大きい、
請求項２に記載の二次電池ブラックパウダーの炭素選別システム。

【請求項9】

パウダー原料を主反応器に供給する段階；
前記主反応器内の前記パウダー原料が流れるように前記主反応器にガスを供給する段階；
前記主反応器の上端部に浮遊した前記パウダー原料をサイクロンユニットに供給する段階；及び
前記サイクロンユニット内の前記パウダー原料から炭素を回収する段階を含む、
二次電池ブラックパウダーの炭素選別方法。

【請求項10】

前記炭素を回収する段階は、
前記主反応器の前記上端部に接続された第１サイクロンを介して、炭素が予め設定された量より多く含まれている前記パウダー原料を１次回収し、前記第１サイクロンと連続的に接続された第２サイクロンを介して、炭素が予め設定された量より多く含まれている前記パウダー原料を２次回収する、
請求項９に記載の二次電池ブラックパウダーの炭素選別方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムおよび炭素選別方法に関する発明である。本研究は、２０２２年度企画財政部（政府）の財源により韓国エネルギー技術評価院の支援を受けて行われた再生資源の低炭素産業原料化技術開発研究事業の、廃リチウムリン酸鉄電池（ＬＦＰ）からの炭素低減型電池原料化技術開発（課題固有番号：１４１５１８２０８４、課題番号：２０２２９Ａ１０１００１００）に関連する。

【背景技術】

【0002】

近年、二次電池需要の急増とともに、素材の価格引き上げに伴い、リサイクル技術の需要が徐々に増加している。二次電池の再使用、リサイクルなどに関連する技術の確保が切実な状況である。

【0003】

これにより、廃電池から有価金属を回収するために、集電体から陽極／陰極の混合粉末であるブラックパウダーを回収する。ブラックパウダーには、陰極の主要物質である炭素と陽極物質であるリチウムを含む酸化物が混在しているため、焼却工程を利用したり、浮遊選別方法によりブラックパウダーから炭素を除去している。

【0004】

ところで、焼却工程により炭素をブラックパウダーから除去する場合、多量の二酸化炭素が発生するだけでなく、炭素によってリチウムを含む酸化物の還元が発生する可能性があり、炉内雰囲気によって炭素が分解し、発熱反応により予想できなかった副反応などを起こす可能性がある。また、浮遊選別方法により炭素をブラックパウダーから除去する場合、湿式工程で効率が低下し、気泡剤の洗浄など追加工程が要求され、工程コスト上昇の追加的な問題が発生することがある。

【0005】

これにより、ブラックパウダー内の炭素除去に使用される熱的エネルギーに対する工程コストなどを簡素化し、ブラックパウダーから炭素を除去する際に発生する二酸化炭素低減のための前処理技術が緊急な実情である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の実施例は、密度分級方式により、二次電池ブラックパウダーから炭素を除去し、ブラックパウダーに含まれている有価金属を効果的に回収できるようにする二次電池ブラックパウダーの炭素選別システム及び炭素選別方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様によれば、パウダー原料を供給するための原料供給機；前記パウダー原料が上下方向に流動可能に上下方向に延びて形成される長チャンバを含む主反応器；前記主反応器内の前記パウダー原料が流れるように前記長チャンバにガスを供給するガス供給機；及び前記主反応器の上端部に接続され、前記主反応器の前記上端部に浮遊した前記パウダー原料を供給してもらい、前記パウダー原料から炭素を捕集するサイクロンユニットを含む、二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムが提供されることができる。

【0008】

また、前記主反応器は、上端部に前記原料供給機を接続し、下端部に前記ガス供給機を接続し、内部に前記長チャンバを設ける反応本体；及び前記長チャンバの下部に配置され、前記ガスが通過するように複数の分散孔を提供する分散板を含む、二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムが提供されることができる。

【0009】

また、前記分散孔は、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲の直径を有する、二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムが提供されることができる。

【0010】

また、前記ガス供給機は、１～１００ＬＰＭ（Ｌｉｔｅｒ／Ｍｉｎ）の範囲のガスを前記主反応器に供給して前記パウダー原料を流動させる、二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムが提供されることができる。

【0011】

また、前記サイクロンユニットは、前記主反応器の前記上端部に連続的に接続され、前記主反応器から供給された前記パウダー原料から前記炭素を連続的に回収する複数のサイクロンを含む、二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムが提供されることができる。

【0012】

さらに、前記複数のサイクロンユニットは、前記主反応器の前記上端部に連続的に接続される第１サイクロンと第２サイクロンとを含み、前記第１サイクロンは、遠心力を使用して炭素が予め設定された量より多く含まれている前記パウダー原料を１次選別する第１サイクロン部；１次選別された前記パウダー原料を捕集するために前記第１サイクロン部の下端に接続される第１回収部；前記主反応器の前記上端部と前記第１サイクロン部との間を接続する第１流入管部；及び前記第１サイクロン部で上昇旋回するパウダー原料を前記第１サイクロン部の外部に案内する第１排出管部を含み、前記第２サイクロンは遠心力を使用して炭素が所定の量より多く含まれているパウダー原料を２次選別する第２サイクロン部；２次選別された前記パウダー原料を捕集するために前記第２サイクロン部の下端に接続される第２回収部；前記第１排出管部と前記第２サイクロン部とを接続する第２流入管部；及び前記第２サイクロン部で上昇旋回する前記パウダー原料を前記第２サイクロン部の外部に案内する第２排出管部を含む、二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムが提供されることができる。

【0013】

また、前記主反応器および前記サイクロンユニットの内壁にはフッ素樹脂コーティング（ＰＴＦＥ）が形成される、二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムが提供されることができる。

【0014】

また、前記反応本体は、１段本体部；及び前記１段本体部の直径より大きい直径を有するように前記１段本体部の上部に傾斜して接続する２段本体部を含み、前記２段本体部の直径は、前記１段本体部の直径よりも２倍以上大きい、二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムが提供されることができる。

【0015】

本発明の一態様によれば、パウダー原料を主反応器に供給する段階；前記主反応器内の前記パウダー原料が流れるように前記主反応器にガスを供給する段階；前記主反応器の上端部に浮遊した前記パウダー原料をサイクロンユニットに供給する段階；及び前記サイクロンユニット内の前記パウダー原料から炭素を回収する段階を含む、二次電池ブラックパウダーの炭素選別方法が提供されることができる。

【0016】

また、前記炭素を回収する段階は、前記主反応器の前記上端部に接続された第１サイクロンを介して、炭素が所定の量より多く含まれている前記パウダー原料を１次回収し、前記第１サイクロンと連続的に接続された第２サイクロンを介して、炭素が所定の量より多く含まれている前記パウダー原料を２次回収する、二次電池ブラックパウダーの炭素選別方法が提供されることができる。

【発明の効果】

【0017】

また、本発明の実施例によれば、リチウム二次電池のブラックパウダーから炭素を選択的に分離して除去することにより、リサイクルする工程の原料としてブラックパウダーを使用する際、ブラックパウダーに対するリサイクル工程効率を向上させることができ、これにより二次電池リサイクル工程の経済性を向上させ、様々な産業に適用することが可能であるという効果がある。

【0018】

また、本発明の実施例によれば、ブラックパウダーに含まれる炭素を密度分級を用いて選別して除去することにより、ブラックパウダーに対する高温熱処理時に発生するＣＯ_ｘガスを最小化することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、本発明の一実施例による二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムを示した構成図である。

【図2】図２は、本発明の一実施例による二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムの分散板を示した平面図である。

【図3】図３は、本発明の一実施例による二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムに適用されたブラックパウダーの熱重量分析結果を示したグラフである。

【図4】図４は、本発明の一実施例により、１ｍｍ分散ホールの分散板から回収したブラックパウダーの熱重量分析結果を示したグラフである。

【図5】図５は、本発明の一実施例により、２ｍｍ分散ホールの分散板から回収したブラックパウダーの熱重量分析結果を示したグラフである。

【図6】図６は、本発明の他の実施例による二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムを示した構成図である。

【図7】図７は、本発明による二次電池ブラックパウダーの炭素選別方法を示したフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施例による構成及び作用を添付の図面を参照して詳細に説明する。以下の説明は、特許請求可能な本発明の様々な側面（ａｓｐｅｃｔｓ）の一つであり、下記の説明は本発明の詳細な技術の一部をなすことができる。

【0021】

但し、本発明の説明において公知の構成または機能に関する具体的な説明は、本発明を明瞭にするために省略することができる。

【0022】

本発明はいろいろな変更ができ、様々な実施例を含むことができるところ、特定の実施例を図面にて例示し、詳細な説明をしようとする。しかしながら、これは本発明を特定の実施形態に限定することを意図するものではなく、本発明の思想や技術範囲に含まれるすべての変更、均等物、および／または代替物を含むものとして理解されるべきである。

【0023】

第１、第２などの序数を含む用語は様々な構成要素を説明するために使用され得るが、対応する構成要素はそのような用語によって限定されない。これらの用語は、ある構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用される。

【0024】

本出願で使用される用語は、単に特定の実施例を説明するために使用されたものであり、本発明を限定することを意図していない。単数の表現は、文脈上明らかに他に意味がない限り、複数の表現を含む。

【0025】

以下、添付の図面を参照して本発明の一実施例による二次電池ブラックパウダーの炭素選別システムについて説明する。

【0026】

図１乃至図２を参照すると、本発明の一実施例による炭素選別システム１０は、パウダー原料に含まれている炭素を密度分級によって選別的に除去することにより、炭素が除去されたパウダー原料に対するリサイクル工程の効率を向上させることができる。このような炭素選別システム１０は、原料供給機１００、主反応器２００、ガス供給機３００、およびサイクロンユニット４００を含むことができる。

【0027】

原料供給機１００は、主反応器２００に供給するためのパウダー原料を収容することができる。本実施例において、パウダー原料は、リチウム二次電池のリサイクルのために廃リチウム二次電池パックの解体／分離工程後、陽極と陰極内の集電体を除去して回収したリチウムイオン二次電池のブラックパウダーであることができる。ブラックパウダーには、炭素と共に有価金属であるＬｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎなどの金属が含まれているが、ブラックパウダーから炭素を除去すると、ブラックパウダーに含まれている有価金属に対する回収効率を増大することができる。

【0028】

原料供給機１００は、パウダー原料が収容可能な原料ホッパー１１０と、原料ホッパー１１０に収容されているパウダー原料を主反応器２００に選択的に提供する原料弁１２０とを含むことができる。原料弁１２０は、パウダー原料が原料ホッパー１１０から主反応器２００に移動する移動経路を開閉することにより、原料ホッパー１１０内に収容されているパウダー原料を主反応器２００に選択的に供給することができる。

【0029】

主反応器２００は、ガスの流れによってパウダー原料が上下方向に移動可能な空間を提供することができる。主反応器２００は反応本体２１０および分散板２２０を含むことができる。反応本体２１０は、上下方向に流れるように上下方向に延びて形成された長チャンバ２１１を提供することができる。

【0030】

主反応器２００の内壁にはフッ素樹脂コーティング（ＰＴＦＥ）を形成することができる。主反応器２００の内面にフッ素樹脂コーティング（ＰＴＦＥ）を形成することにより、二次電池ブラックパウダー内の炭素が静電気力が高く、主反応器２００の内面に融着されるとき、炭素排出が容易に行われることができ、炭素の回収率を向上させることができる。

【0031】

反応本体２１０の長さは、パウダー原料の原料／密度などを考慮して炭素を選別的に浮遊させることができるように設計することができる。反応本体２１０の長さは、パウダー原料の流動距離に対応することができる。本実施例において、反応本体２１０の長さは１５００ｍｍであることができる。反応本体２１０の上端部には原料供給機１００を接続することができる。下端部にはガス供給機３００を接続することができる。

【0032】

一方、炭素分離のために、以下のＷｅｎ＆Ｙｕ（１９６６）の式（式１）を用いて最小流動化速度を計算して流量を選定することができる。このＷｅｎ＆Ｙｕの公式（式１）は通常公式であるため、これについての詳細な説明は省略する。

【0033】

【数1】

【0034】

ただし、既知の流動粒子サイズおよび粒子密度を示す固体流動粒子特性として、気体特性（気体粘度および気体密度）の関数であるアルキメデス数と関係する。そして、最小流動化速度よりも高い流量を用いる理由は、本最小流動化式には分散板が考慮されていないため、分散板により減衰される流量を考慮して最小流動化速度より高い速度の流速で行った。

【0035】

【表1】

【0036】

表１を参照すると、ＮＣＭブラックパウダー内の炭素の平均粒度は８、１０、１５ミクロンでそれぞれ計算し、この時の密度は２，２６０ｋｇ／ｍ^３に設定した。ＮＣＭ正極材は１０、１５、２５ミクロンで、密度は４，６２０ｋｇ／ｍ^３で計算した。ＮＣＭ正極材は、タップ密度ではなくＬｉＮｉＯ２密度を参照した。

【0037】

分散板２２０は長チャンバ２１１の下部に配置することができる。分散板２２０は、パウダー原料中の炭素が反応本体２１０の上端部に流れるようにガス供給機３００から供給されたガスを長チャンバ２１１の上側に伝達することができる。分散板２２０には、反応本体２１０との固定のためのクランプ孔２２１とガスを通過させる複数の分散孔２２２を形成することができる。複数の分散孔２２２は、分散板２２０の中央部に形成される１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲の径の貫通孔であることができる。

【0038】

分散孔２２２の形状が単純な孔の形態で作られ、分散孔２２２の直径が粉末の直径よりも大きい２ｍｍを超える場合、分散孔２２２の直径によって粉末が分散板２２０の下に落下する可能性がある。分散孔２２２の直径が１ｍｍ未満の場合、空気注入がスムーズでないため、主反応器２００内に空気を投入する際に、空気が投入される主反応器２００の空気投入部と分散板２２０との間に陽圧が形成される可能性があり、分散板２２０の上部へのガス伝達が円滑でなく、流動特性が低下する可能性がある。

【0039】

ガス供給機３００は、主反応器２００内のパウダー原料が流れるように主反応器２００の長チャンバ２１１にガスを供給することができる。ガス供給機３００から供給されるガスの供給流量は、１～１００ＬＰＭ（Ｌｉｔｅｒ／Ｍｉｎ）の範囲であることができる。ガスの供給流量が１ＬＰＭ未満であると、主反応器２００内で、パウダー原料を流動させて炭素を主反応器２００の上端部側に浮遊させることが難しくなり、ガスの供給流量が１００ＬＰＭを超えると、パウダー原料中の重い物質も炭素と共に、主反応器２００の上端部側に浮遊するため、主反応器２００内で炭素の選別が困難になる可能性がある。

【0040】

本実施例において、ガス供給機３００から供給されるガスは、２０～１００ＬＰＭの空気を用いたが、これに限定されず、ガス供給機３００から供給されるガスは、空気以外にも、パウダー原料内の炭素を円滑に分級することができる様々な種類のガスであってもよい。一例として、ガス供給機３００から供給されるガスは、アルゴン、窒素、またはこれらを少なくとも含む混合ガスであってもよい。

【0041】

サイクロンユニット４００は、パウダー原料に旋回流を誘導することにより、パウダー原料に含まれている炭素を分離回収することができる。サイクロンユニット４００は、主反応器２００の上端部に浮遊したパウダー原料を供給してもらうことができ、供給されたパウダー原料から炭素を回収することができる。

【0042】

サイクロンユニット４００の内壁には、ブラックパウダーに多量に含まれている炭素と正極材とを効果的に分離するためにフッ素樹脂コーティングを形成することができる。これは、炭素の高い静電気により、サイクロンユニット４００に炭素微粒子が付着して分級効率を低下させる可能性があるからである。これにより、サイクロンユニット４００の内壁にフッ素樹脂コーティングを形成することにより、静電気を最小限に抑え、炭素の回収を効果的に向上させることができる。

【0043】

サイクロンユニット４００は、主反応器２００の上端に連続的に接続される複数のサイクロンからなることができる。一例として、サイクロンユニット４００は、主反応器２００の上端に連続的に接続される第１サイクロン４１０および第２サイクロン４２０を含むことができる。

【0044】

第１サイクロン４１０は、第１サイクロン部４１１、第１回収部４１２、第１流入管部４１３、及び第１排出管部４１４を含むことができる。第１サイクロン部４１１は遠心力を利用して、炭素が予め設定された量より多く含まれているパウダー原料を１次選別することができる。ここで、予め設定された量の炭素が含まれているパウダー原料は、原料供給機１００を介して供給されたパウダー原料と理解することができ、炭素が予め設定された量より多く含まれているパウダー原料は、原料供給機１００を介して供給されたパウダー原料に含まれている炭素よりも多量の炭素を含むパウダー原料として理解することができる。

【0045】

第１サイクロン部４１１の一側部は、第１流入管部４１３が偏心して接続することができる。第１サイクロン部４１１の内部に流入した、炭素が予め設定された量より多く含まれているパウダー原料は、遠心力により第１サイクロン部４１１の内壁に沈着され、重力と下方を向く気流により第１回収部４１２に下降することができる。第１回収部４１２は、第１サイクロン部４１１の下端に接続することができる。第１回収部４１２は、第１サイクロン部４１１で下降する炭素が予め設定された量より多く含まれているパウダー原料を捕集して回収することができる。第１サイクロン部４１１と第１回収部４１２との間には、第１回収弁４１６が設けられることができる。第１回収弁４１６は、第１サイクロン部４１１から第１回収部４１２に移動する経路を選択的に開閉することができる。

【0046】

第１流入管部４１３は、主反応器２００の上端部と第１サイクロン部４１１の一側部との間を連結することができる。第１流入管部４１３には、主反応器２００から第１サイクロン部４１１に移動する移動経路を開閉する第１流入弁４１５が設けられることができる。第１流入弁４１５が開かれるように調整されると、主反応器２００の上端部に浮遊したパウダー原料をサイクロンユニット４００に供給することができる。

【0047】

第１排出管部４１４は、第１サイクロン部４１１の上部中央に配置されることができる。第１排出管部４１４は、第１サイクロン部４１１で上昇旋回するパウダー原料を第１サイクロン部４１１の外部に案内することができる。第１排出管部４１４には、第２サイクロン４２０の第２流入管部４２３を接続することができる。

【0048】

第２サイクロン４２０は、第２サイクロン部４２１、第２回収部４２２、第２流入管部４２３、及び第２排出管部４２４を含むことができる。第２サイクロン部４２１は、第１サイクロン４１０から供給された炭素が予め設定された量より多く含まれているパウダー原料を２次選別することができる。

【0049】

第２サイクロン部４２１の一側部には、第２流入管部４２３を偏心して接続することができる。第２サイクロン部４２１の内部に流入した炭素が予め設定された量より多く含まれているパウダー原料は、遠心力により第２サイクロン部４２１の内壁に沈着され、重力と下方を向く気流により第２回収部４２２に下降することができる。第２回収部４２２は、第２サイクロン部４２１の下端に接続することができる。第２回収部４２２は、第２サイクロン部４２１で下降する炭素が予め設定された量より多く含まれているパウダー原料を捕集して回収することができる。第２サイクロン部４２１と第２回収部４２２との間には、第２回収弁４２６が設けられることができる。第２回収弁４２６は、第２サイクロン部４２１から第２回収部４２２に移動する経路を選択的に開閉することができる。

【0050】

第２流入管部４２３は、第１サイクロン４１０の第１排出管部４１４と第２サイクロン部４２１の一側部との間を連結することができる。第２流入管部４２３には、第１サイクロン４１０から第２サイクロン４２０に移動する移動経路を開閉する第２流入弁が設けられることができる。第２流入弁が開かれるように調整されると、第１サイクロン４１０に排出されたパウダー原料は第２サイクロン４２０に供給されることができる。

【0051】

第２排出管部４２４は、第２サイクロン部４２１の上部中央に配置されることができる。第２排出管部４２４は、第２サイクロン部４２１で上昇旋回するパウダー原料を第２サイクロン部４２１の外部に案内することができる。第２排出管部４２４には、パウダー原料が外部に排出される経路を選択的に開閉する排出弁が設けられることができる。

【0052】

排出弁は、主反応器２００およびサイクロンユニット４００の差圧および内圧を全体的に調整することができる。例えば、排出弁が閉じられると、パウダー原料が第２サイクロン４２０から外部に排出される経路が遮断されるため、主反応器２００およびサイクロンユニット４００の内部圧力を上昇させることができる。

【0053】

これらの主反応器２００、第１サイクロン４１０、および第２サイクロン４２０は、支持フレーム５００によって支持されることができる。支持フレーム５００は、主反応器２００、第１サイクロン４１０、および第２サイクロン４２０を支持するためのハウジング／構造を含むことができる。

【実施例0054】

本発明の構成は、リチウム二次電池に集電体であるＣｕ、Ａｌが除去されたブラックパウダーを原料として流動層乾式密度分級を行った。主反応器２００は、パウダー原料粉末の流動化を視覚的に確認することができるように５０ｍｍの直径を有するアクリル材料から作られた。

【0055】

主反応器２００の高さは分散板から約１５００ｍｍの高さに設定することにより、パウダー原料粉末の流動距離を確保した。パウダー原料に含まれている炭素は、パウダー原料内の他の物質よりも比較的密度が低いため、サイクロンユニット４００を介して、比較的密度の低い炭素がより多く含まれているパウダー原料粉末を回収することができた。

【0056】

サイクロンユニット４００は、連続して配置される第１サイクロン４１０と第２サイクロン４２０とで構成することにより、パウダー原料に対する分級効率を向上させた。初期３００ｇのパウダー原料を熱重量分析を用いて平均炭素量を測定した。

【0057】

本実施例で用いたパウダー原料は、リチウム二次電池正極と負極、そしてバインダー及び他の有機物が混在しているリチウムイオン二次電池のブラックパウダーであるため、より正確な炭素量の確認のために、カーボン／硫黄（Ｃａｒｂｏｎ/Ｓｕｌｆｕｒ）分析器と熱重量分析器を一緒に分析した。

【0058】

まず、パウダー原料を主反応器２００に投入し、ガス供給機３００を介して２０～３０ＬＰＭの空気を主反応器２００に供給することにより、主反応器２００内のパウダー原料を流動化した。主反応器２００内のパウダー原料の流動層の安定した形成のために、分散板を主反応器２００に設置した。分散孔の大きさが１ｍｍ径と２ｍｍ径の２種類の分散板を主反応器２００に設置して実験した。主反応器２００内のパウダー原料を一定時間流動化させた後、第１サイクロン４１０に回収されたパウダー原料粉末の熱重量分析を行い、パウダー原料に対する炭素量の変化を分析した。

【0059】

図３を参照すると、パウダー原料の熱重量分析の結果、３７０℃までは約６％の重量減少があった。このときは二次電池電極の製造時に使用されたバインダーおよび他の有機物が分解される温度領域と判断された。６００～８００℃の領域では本格的な炭素の分解が起こることが推測できた。原料炭素の分析結果を下記表２に示す。

【0060】

【表2】

【0061】

熱重量分析により、８００℃以上の温度では追加の重量減少が起こらず、パウダー原料粉末で最終５７％の質量が存在することと分析された。

【0062】

図４を参照すると、分散孔が１ｍｍの分散板を用いてパウダー原料に対する流動層分級を試験した後、第１サイクロン４１０で捕集されたパウダー原料粉末の熱重量分析結果、６００℃まではパウダー原料と同じ重量減少を示したが、８００℃以上の高温で最終３６．２％の重量が存在することと分析された。

【0063】

これは、熱重量分析完了後、炭素が完全に除去されたという仮定のもとに残りの重量のみを比較した場合、比較的軽い炭素が形成された流動層により、約３６％の炭素が１次サイクロンにさらに捕集されたことが確認できた。これは、１次サイクロンのカーボン／硫黄分析の結果、パウダー原料粉末の炭素量は平均６２．８８％で、炭素の定量分級効率は約３４％と分析され、これは熱重量分析と類似することが確認できた。

【0064】

図５を参照すると、分散孔が１ｍｍの分散板を用いて、同じ条件で流動層分級を試験した熱重量分析の結果、６００℃まで同様の重量減少挙動を示し、最終的に３７．８％の重量が残った。これを上記と同様の方法で換算した時、３３％の炭素が第１サイクロンにさらに捕集され、分散孔が１ｍｍである分散板の第１サイクロン４１０のカーボン／硫黄分析の結果、６１．１３％で分級効率は約３２％と確認された。

【0065】

例えば、本発明による炭素選別システムにより、パウダー原料粉末から約３０％の炭素を乾式工程を通じて除去することができ、これにより、熱処理による炭素除去時、ＣＯｘガス発生量が最大３０％以上低減することができると予想される。

【0066】

一方、図６を参照すると、本発明の変形例として、主反応器２００は、長手方向に互いに異なる直径を有する多段反応本体２１０を含むことができる。一例として、反応本体２１０は、１段本体部２１２と、１段本体部２１２の直径よりも大きい直径を有する２段本体部２１３とを提供する２段構造であってもよい。

【0067】

主反応器２００の直径サイズが相異なる２段で構成される場合、直径が増大する部分で流速が減少し、分級により容易になる。なぜなら、一定の直径を有する主反応器の場合、主反応器２００の上端まで一定の流速が維持されるため、流量と圧力をより微細に調整しなければならず、主反応器２００の長さが相対的に高くなければならない。一方、主反応器２００が直径の相異なる２段に作製される場合、減少した流速により比較的重い粉末の再沈降が起こるため、一定の直径を有する主反応器に比べて主反応器２００の全体 高さを減らすことができる。

【0068】

そして、上部に位置する反応本体２１０は、下部に位置する反応本体２１０の直径より少なくとも２倍以上増加することができる。例えば、２段本体部２１３の直径は、１段本体部２１２の直径より少なくとも２倍以上であってもよい。これにより、１段本体部２１２から２段本体部２１３に上方向に移動する粉末は、流速の減少により分散板２２０から１段本体部２１２までは流動化は継続的に進行し、比較的重い粉末は再沈降を起こし、比較的軽い炭素流は第１サイクロン４１０部に移動することができる。

【0069】

２段本体部２１３の長さと１段本体部２１２の長さとを比較すると、２段本体部２１３の長さと１段本体部２１２の長さとの比は、１：１比であってもよく、２段本体部２１３の長さが１段本体部２１２の長さよりも短くてもよい。これは、ハイドロサイクロンのサイズとは大きな関連性はない。ハイドロサイクロンの場合、回収効率のために、円筒部の高さ、円錐部の高さ、流入口の高さ、流入口の幅などを考慮して設計することができ、回収しようとする物質の粒度、密度によって定められることができる。さらに、ハイドロサイクロンの設計はガス流入速度などを考慮することができ、このようなハイドロサイクロンの設計は反応本体の設計値よりも運用する条件（流量、粒度、密度など）に依存することがある。

【0070】

本実施例において、主反応器２００は直径が相異なる２段構造について説明したが、これに限定されず、主反応器２００は直径が相異なる３段以上の構造を提供することができる。

【0071】

以下では、本発明の一実施例による二次電池ブラックパウダーの炭素選別方法について説明する。

【0072】

図７を参照すると、二次電池ブラックパウダーの炭素選別方法は、パウダー原料を主反応器に供給する段階Ｓ１００と、主反応器にガスを供給する段階Ｓ２００と、パウダー原料をサイクロンユニットに供給する段階Ｓ３００と、炭素を回収する段階Ｓ４００とを含むことができる。

【0073】

前記パウダー原料を主反応器に供給する段階Ｓ１００では、原料供給機に収容されたパウダー原料を主反応器に供給することができる。主反応器に供給されるパウダー原料は、リチウムイオン二次電池のブラックパウダーであることができる。主反応器には、分散孔が１ｍｍの分散板または分散孔が２ｍｍの分散板を設けることができる。

【0074】

前記主反応器にガスを供給する段階Ｓ２００では、パウダー原料が主反応器に供給された状態で、ガス供給機のガスを主反応器に供給することができる。主反応器内のガスの供給により、主反応器内のパウダー原料は流動層を形成しながら流動化することができる。ガス供給機から供給されるガスの供給流量は、１～１００ＬＰＭ（Ｌｉｔｅｒ／Ｍｉｎ）の範囲であることができる。

【0075】

前記パウダー原料をサイクロンユニットに供給する段階Ｓ３００では、主反応器内のガス供給を介して、パウダー原料が主反応器で安定した流動層を形成すると、主反応器の上端部に浮遊したパウダー原料、言い換えれば、炭素が予め設定された量より多く含まれているパウダー原料をサイクロンユニットに供給することができる。

【0076】

前記炭素を回収する段階Ｓ４００では、炭素が予め設定された量より多く含まれているパウダー原料を回収することができる。炭素が予め設定された量より多く含まれているパウダー原料は、原料供給機から供給されたパウダー原料よりも多量の炭素を含むパウダー原料として理解することができる。

【0077】

前記炭素を回収する段階Ｓ４００では、主反応器の上端部に接続されている第１サイクロンを介して、炭素が予め設定された量より多く含まれているパウダー原料を１次回収することができ、第１サイクロンと連続的に接続されている第２サイクロンを介して、炭素が予め設定された量より多く含まれているパウダー原料を２次回収することができる。

【0078】

上述のように、本発明は、リチウム二次電池のブラックパウダーから炭素を選択的に分離して除去することにより、リサイクルする工程の原料としてブラックパウダーを使用する際、ブラックパウダーに対するリサイクル工程効率を向上させることができ、ブラックパウダーに含まれる炭素を密度分級を用いて選別して除去することにより、ブラックパウダーへの高温熱処理時に発生するＣＯｘガスを最小化することができるという優れた利点を有する。

【0079】

以上、本発明の実施例を具体的な実施形態として説明したが、これは例示に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではなく、本明細書に開示された基礎思想に従う最も広い範囲を有するものと解釈されるべきである。当業者は、開示された実施形態を組合せ／置換して適示されていない形状のパターンを実施することができるが、これも本発明の範囲から逸脱しないであろう。 さらに、当業者は本明細書に基づいて開示された実施形態を容易に変更または修正することができ、そのような変更または変形も本発明の権利範囲に属することは明らかである。

【符号の説明】

【0080】

１０：炭素選別システム、２０：炭素選別方法、１００：原料供給機、２００：主反応器、２１０：反応本体、２２０：分散板、２２１：分散ホール、３００：ガス供給機、４００：サイクロンユニット、４１０：第１サイクロン、４１１：第１サイクロン部 、４１２：第１回収部、４１３：第１流入管部、４１４：第１排出管部、４１５：第１流入弁、４１６：第１回収弁、４２０：第２サイクロン、４２１：第２サイクロン部、４２２：第１回収部、４２３：第１流入管部、４２４：第１排出管部、４２５：第１流入弁、４２６：第１回収弁、５００：支持フレーム。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】