A. 소개
전 세계적으로 이산화탄소 배출량 감축과 지속 가능한 에너지 개발에 초점을 맞추면서 전기화와 에너지 탈탄소화가 핵심 이슈가 되었습니다. 특히 리튬 이온 배터리 시장이 빠르게 성장함에 따라 다음과 같은 유기 탄산염에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 에틸렌 카보네이트(EC) 리튬 이온 배터리 전해질의 주요 용매 및 첨가제로서 탄산에틸렌의 사용량이 급격히 증가하고 있습니다. 이 백서에서는 리튬 이온 배터리의 탄산에틸렌 적용, 고순도 요구 사항, 생산 공정의 혁신, 향후 재활용의 과제와 기회에 대해 설명합니다.
B. 리튬 이온 배터리에서 탄산 에틸렌의 중요성
1. 리튬 이온 배터리 시장의 성장세
- 한 컨설팅 연구에 따르면 리튬 이온 배터리의 수요는 2022년부터 2030년까지 연간 27%의 성장률을 보일 것으로 예상됩니다. 이러한 성장은 주로 전기 자동차 및 기타 전자 기기의 인기에 의해 주도됩니다.
- 중국은 리튬 이온 배터리 생산에서 선도적인 위치를 유지하고 있으며, 유럽과 미국은 향후 몇 년 동안 생산 능력을 크게 늘릴 것으로 예상됩니다.
2. 리튬 이온 배터리의 구성과 전해질의 역할 2.
- 리튬 이온 배터리는 음극, 양극, 다이어프램, 전해질로 구성됩니다. 전해액은 배터리 무게의 10~15%에 불과하지만 배터리의 성능, 효율성 및 안전에 매우 중요합니다.
- 리튬 이온 배터리는 음극, 양극, 다이어프램, 전해질로 구성됩니다. 전해액은 배터리 무게의 10~15%에 불과하지만 배터리의 성능, 효율성 및 안전에 매우 중요합니다.
3. 전해질 제형의 다양성
- 리튬 이온 배터리의 종류에 따라 특정 애플리케이션 요구 사항을 충족하기 위해 서로 다른 전해질 배합을 사용합니다. 예를 들어 NMC 및 LFP 배터리의 전해질 제형에는 고유한 특성이 있습니다.
- 일반적인 전해질 배합에는 배터리 성능과 안전성을 개선하기 위해 EC, DMC, EMC와 같은 유기 용매와 FEC와 같은 첨가제가 포함됩니다.
C. 고순도 탄산 에틸렌의 필요성
1. 순도가 배터리 성능에 미치는 영향
- 전해질의 순도는 배터리의 수명, 효율성 및 안전성에 직접적인 영향을 미칩니다. 고순도 탄산에틸렌은 배터리의 사이클 효율과 안전성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
- 배터리 등급의 탄산에틸렌은 일반적으로 순도가 99.99% 이상이어야 하며, 수분 함량은 50ppm 미만 또는 10ppm 미만이어야 합니다.
2. 배터리 성능에 영향을 미치는 불순물
- 물과 메탄올과 같은 불순물은 리튬 염과 반응하여 불안정한 화합물을 생성하여 전해질 분해, 가스 방출 및 침전물 형성으로 이어져 배터리의 성능과 안전에 영향을 미칩니다.
- 염산, 아세트산과 같은 산성 불순물은 배터리 부품을 부식시켜 전해질의 효과를 떨어뜨리고 배터리 소재의 성능 저하를 유발합니다.
D. 생산 공정의 혁신: 증류와 결정화의 결합
1. 기존 증류 기술의 한계
- 증류 기술은 고순도를 달성할 수 있지만 에너지 소비가 많고 열 분해 위험이 높으며 회수율이 낮습니다. 특히 탄산비닐과 같은 화합물의 경우 매우 높은 증기 추출 및 환류 비율이 필요하기 때문에 에너지 소비가 더욱 증가합니다.
2. 용융 결정화의 장점
- 용융 결정화 기술, 특히 이중 낙하 필름 결정화를 통해 낮은 수분 함량을 유지하면서 낮은 에너지 소비로 초고순도(>99.999%) 탄산에틸렌을 생산할 수 있습니다.
- 낙하 필름 결정화 기술은 높은 처리 용량, 간단한 조작, 잦은 유지 보수 및 부품 교체가 필요 없어 여러 화학 산업에서 널리 사용되어 왔습니다.
3. 증류와 결정화의 조합
- 도젠이 제안한 증류와 용융 결정화 공정의 조합은 먼저 증류를 통해 대부분의 불순물을 제거한 후 결정화 기술을 통해 제품을 추가로 정제함으로써 에너지 효율과 순도의 최적 균형을 이룹니다.
- 또한 증류 공정에서 발생하는 폐열을 결정화 용융 단계에 사용하는 열 통합 기술을 통해 에너지 소비를 더욱 줄여 운영 비용(OPEX)을 크게 절감할 수 있습니다.
반응된 탄산에틸렌의 품질이 양호한 경우 증류 대신 용융 결정화를 사용하여 전자 등급 탄산에틸렌 제품을 얻을 수 있습니다.
E. 탄산에틸렌의 재활용
1. 재활용의 필요성
- 전기 자동차가 증가함에 따라 폐배터리 재활용이 중요한 이슈로 떠오르고 있습니다. 유럽 등에서는 배터리 소재의 재활용률을 높이기 위해 관련 법규를 도입하고 있습니다.
- 재활용은 자원 부족 문제를 완화할 뿐만 아니라 환경 오염도 줄일 수 있습니다.
2. 재활용 기술의 도전과 기회
- 재활용 공정은 복잡한 전해질 혼합물을 처리하고 귀중한 유기 용매와 금속 원소를 추출해야 합니다.
- 메카노 열역학적 듀센펠트 재활용 공정과 호라이즌 프로젝트와 같은 새로운 재활용 기술은 재활용 효율과 순도를 개선하기 위해 노력하고 있습니다.
3. 시장 예측 및 전망
- 2040년까지 유럽에서는 많은 양의 전해질을 재활용할 수 있을 것으로 예상됩니다. 회수율이 높은 시나리오와 낮은 시나리오 간에는 회수되는 전해질의 양에 상당한 차이가 있습니다.
- 재활용 과정에서 높은 회수율과 낮은 에너지 소비는 향후 개발의 핵심입니다.
F. 결론 및 전망
1. 기술 혁신 주도
- 도겐 는 증류 및 결정화 기술의 혁신적인 조합을 통해 초고순도 탄산에틸렌 생산에 성공하고 에너지 소비와 운영 비용을 크게 절감했습니다.
- 이러한 기술 혁신은 리튬 이온 배터리용 고순도 전해질에 대한 수요를 충족시킬 뿐만 아니라 전체 화학 산업의 지속 가능한 발전을 위한 모범이 되고 있습니다.
2. 재활용의 미래 발전
- 규제가 강화되고 기술이 성숙함에 따라 중고 배터리 재활용은 리튬 이온 배터리 산업의 중요한 부분이 될 것입니다.
- 재활용 프로세스를 최적화하고 재활용 효율을 개선함으로써 생산 비용을 더욱 절감하고 환경에 대한 부담을 완화하며 순환 경제의 발전을 촉진할 수 있습니다.
3. 업계 협력 강화
- 리튬 이온 배터리 시장의 급속한 성장과 고순도 소재에 대한 수요 증가에 직면하여 전체 산업 체인은 협력과 소통을 강화해야 합니다.
