전기차 배터리로 대표되는 이차전지의 수요가 급증하면서 폐배터리에서 핵심 원료물질을 분리‧선별하고 회수할 수 있는 기술이 주목받고 있다.
한국지질자원연구원(원장 이평구, KIGAM) 자원활용연구본부 유광석 박사 연구팀은 폐리튬이온배터리의 해체 과정에서 나온 블랙파우더에서 양극재 물질을 분리‧선별해 회수하는 공정 개발에 성공했다.
폐리튬이온배터리의 분쇄를 통해 나오는 블랙파우더는 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.
블랙파우더 내 단체분리된 양극재의 입자 크기는 20마이크로미터 이하로 일반적인 부유선별 과정에서 비말동반(Entrainment) 현상으로 양극재의 손실이 발생한다.
유광석 박사 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.
‘ICT기반의 부유선별 제어 기술’은 부유 선별기 내 기포와 광액의 물리·화학적 특성값을 디지털 신호화해 핵심 공정 인자를 제어하는 기술이다.
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 기대하고 있다.
이번 기술개발을 주도한 유광석 박사는 ”이번에 개발한 기술과 공정은 중국 등 해외 기업과의 기술 차별성 바탕으로 국내 기업의 경쟁력을 확보하는 데 크게 기여할 것이다”고 말하며, “이번 기술을 고도화해 국내 기업에 이전 및 상용화하고 지속적인 기술 지원을 통해 국가 배터리 산업 경쟁력 확보에 최선을 다하겠다”라고 밝혔다.
한국지질자원연구원 이평구 원장은 “광물자원의 재활용은 이제 친환경이라는 수식어가 필수적으로 들어가야한다”고 강조하며, “모두가 안심하고 활용할 수 있는 친환경 자원활용 기술 개발과 핵심광물 확보를 위해 지원을 아끼지 않겠다”고 말했다.
한편 유광석 박사 연구팀은 ㈜GS건설(에너지머트리얼즈(주))과 블랙 파우더 내 양극재 회수를 위한 부유 선별기 형상 설계 및 실증화 기술을 기술이전 통해 추가로 진행할 예정이다.