폐배터리 원료 98% 회수해 재활용한다

KIGAM, 양극재 물질 분리, 선별, 회수 공정 개발

리튬, 흑연 등 이차 전지 원자재의 가격이 급등하고 있는 가운데, 국내 연구진이 폐배터리에서 이같은 희소 원료 물질들을 98% 이상 회수해 재활용할 수 있는 기술을 개발했다.

한국지질자원연구원(KIGAM)은 유광석 자원활용연구본부 박사 연구팀이 폐리튬이온배터리의 해체 과정에서 나온 블랙파우더에서 양극재 물질을 분리·선별해 회수하는 공정 개발에 성공했다고 31일 밝혔다.

블랙파우더(Black Powder)는 폐배터리를 셀(cell)단위까지 분리하고 잘게 분쇄해서 나오는 가루다. 양극재인 리튬금속산화물(Li-Metal Oxide, Metal: 니켈, 코발트, 망간 등)과 음극재인 흑연, 금속 전극(Foil)인 알루미늄과 구리, 소량의 전해물질(Electrolyte solution)과 카본블랙, 결합재(Binder)로 구성된다.

폐배터리에서 리튬 등 양극재 원료물질을 98% 이상 회수-재활용할 수 있는 기술을 개발한 유광석 한국지질자원연구원(KIGAM) 박사. 사진제공=KIGAM

블랙파우더 내 단체분리된 양극재의 입자 크기는 20마이크로미터 이하로 일반적인 부유선별 과정에서 비말동반(Entrainment) 현상으로 양극재의 손실이 발생한다.

연구팀은 광물 선별 방법인 부유선별 공정을 활용,‘폐리튬이온배터리의 블랙 파우더에 함유된 양극재 물질을 회수하는 공정 및 운영 기술’을 개발했다. 특히 20마이크로미터 이하인 양극재의 비말동반 현상에 따른 손실을 최소화하기 위해 부유선별 공정 회로와 최적의 광액 농도, 반응(체류)시간, 입자 유동, 기포 층 두께 등을 제어하는 운전 조건을 개발했다.

이를 바탕으로 연구팀은 폐리튬이온배터리의 블랙 파우더에 함유된 양극재 물질의 98% 이상을 회수하는데 성공했다. 선별된 양극재 물질은 리튬·니켈·코발트·망간 등 리튬금속산화물과 금속 전극인 알루미늄 및 구리다. 연구 공정의 핵심 제어 인자는 광액 농도, 광액의 투입량과 배출량(속도), 교반속도, 시약 투입량, 공기 투입량 등이다. 이러한 핵심 공정 인자는 ‘ICT기반의 부유선별 제어 기술’을 적용해 최적의 상태로 유지할 수 있다.

이번 기술 개발의 성공으로 국내 재활용 기업들이 블랙파우더에서 나온 양극 물질로부터 리튬 등 삼원계(니켈·코발트·망간 등)를 회수하는 고순도화 정제공정의 효율성과 생산성을 높이고 운영비 절감에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다 .

유광석 박사는 "이번에 개발한 기술과 공정은 중국 등 해외 기업과의 기술 차별성 바탕으로 국내 기업의 경쟁력을 확보하는 데 크게 기여할 것"이라며 "이번 기술을 고도화해 국내 기업에 이전 및 상용화하고 지속적인 기술 지원을 통해 국가 배터리 산업 경쟁력 확보에 최선을 다하겠다"고 말했다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr
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