폐배터리 황금알 낳는 거위 되나 전기차 등 자원 재활용 기술 개발
||2025.01.16
대표적 2차 전지인 리튬 이온 배터리는 스마트폰이나 태블릿, 노트북, 웨어러블 디바이스, 전기차, 하이브리드차 등에 사용된다.
전기차 시장 확대에 따른 리튬 이온 배터리 폐기물의 대량 발생이 예상되는 가운데 폐배터리를 친환경적이고 안전한 방식으로 처리할 수 있는 자원화 기술 개발의 필요성은 꾸준히 요구됐다.
현재 폐배터리 재활용에 사용되는 기술은 ‘습식제련법’으로, 주로 고가의 니켈코발트망간(NCM) 배터리에 초점이 맞춰졌다. NCM 배터리에서 리튬, 니켈, 코발트, 망간 등을 회수해 재사용할 수 있어 경제성이 높은 까닭에서다.
반면 리튬인산철(LFP) 배터리의 경우 리튬 외 자원의 효용 가치가 낮아 재활용 비용 대비 편익이 낮은 상황이다.
폐배터리에서 리튬 이온을 선택적으로 분리·회수하기 위한 방법으로는 전기화학적 막 분리 방법이 조명받고 있다.
이 방법은 전기화학적 힘을 이용한 분리 기술로 염호(brine)로부터 리튬 이온을 추출하는 데 이용됐다. 폐배터리 재활용에 사용되는 기존 제련 공정에 비해 설치와 운영에 들어가는 비용이 상대적으로 낮고, 목표 이온만을 고농도로 농축·회수할 수 있다는 장점이 있다.
공정의 핵심 요소 중 하나는 이온교환막이다. 이온교환막의 성능에 따라 리튬 회수의 속도와 순도가 결정된다.
하지만 현재 이온교환막으로 활용되는 고분자막은 리튬 회수 속도가 현저히 낮고 폐배터리 양극재에 포함된 니켈, 철 등 다가이온의 고분자막 통과를 효과적으로 차단하지 못한다는 단점이 있다.
아주대 연구팀은 배터리에서 리튬이온만을 선택적으로 분리하기 위해 리튬이온 수화이온 크기인 0.76㎚보다 크고, 다가이온의 통과는 억제할 수 있는 이온 투과 채널을 개발했다.
아주대 연구팀은 흑연 유래 산화 그래핀에 주목했다. 정전기적 인력을 이용해 산화 그래핀층 사이 실리카 알루미나 나노입자 가교제를 도입하는 HARD(heteroatom-reinforced dot) 전략을 개발해 이온 투과 채널의 크기를 정밀하게 조절하고 안정성을 향상했다.
아주대 연구팀은 공주대 연구팀과 함께 LFP 폐배터리 침출액 리튬 회수 실험을 진행해 전기화학적 리튬 회수 공정 대비 65%의 에너지로 4배 향상된 리튬 회수 속도와 95%의 리튬 순도를 달성했다.
구자훈 기자 hoon@kihoilbo.co.kr
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