한국원자력연구원(이하 원자력연)이 LFP(리튬인산철)배터리를 경제적이고 친환경적으로 재활용할 수 있는 공정을 개발해 주목받고 있다.
LFP배터리는 NCM(니켈·코발트·망간)배터리보다 에너지밀도는 낮지만 가격이 저렴해 전기자동차 시장에서 40% 이상의 점유률을 갖고 있다.
그러나 LFP배터리를 재활용하려면 높은 비용 대비 회수할 수 있는 원료가 리튬뿐이어서 경제성이 떨어지고, 폐 산성용액이 대량 발생해 환경오염 문제도 따른다.
원자력연 중성자과학부 김형섭 박사팀은 염소기체를 활용해 LFP배터리 양극재를 경제적이고 친환경적으로 추출하는 공정을 개발했다.
연구팀은 폐 LFP배터리를 분해할 때 발생하는 분말 형태 양극소재를 200℃에서 10분간 염소기체와 반응시켜 리튬을 염화리튬 형태로 추출했다.
염화리튬은 상용화된 기존 변환공정으로 탄산리튬이나 수산화리튬으로 전환, 새로운 LFP배터리의 양극소재 합성 원료로 재사용할 수 있다.
아울러 기존 산성용액 처리로는 구조가 송상돼 재활용이 불가능했던 인산철도 손상이 거의 없이 양극소재로 재합성하거나 차세대 리튬금속배터리 소재로 활용할 수 있어 경제성을 높였다.
이와 함께 재활용 공정에서 발생하는 부산물도 소금물 형태여서 기존 산성폐수와 달리 친환경적으로 처리할 수 있다.
연구팀은 이번 공정의 성능을 입증하기 위해 연구용원자로 ‘하나로’의 중성자 회절분석장치로 정밀 분석을 실시한 결과 LFP배터리에서 리튬 99.8%를 추출했고, 추출한 리튬의 순도도 98.8%로 매우 높았다.
원자력연은 이번에 개발한 기술을 국내 특허등록하고, 이전을 희망하는 기업을 발굴해 대용량 처리기술 개발 등 상용화를 본격 추진할 계획이다.
정영욱 원자력연 하나로양자과학연구소장은 “LFP배터리의 시장 점유율이 높아진 가운데 이번 재활용 기술은 파급 효과가 상당할 것”이라며 “중성자를 활용한 폐배터리 진단 및 재활용 공정을 개선하기 위한 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 학연협력플랫폼구축 시범사업과 산업통상자원부의 저탄소 고부가 전극재제조 혁신기술개발사업 지원으로 진행됐고, 연구결과는 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’에 게재됐다.
(논문명 : 효율적인 리튬인산철 재활용을 위한 기체-고체 반응 기반 선택적 리튬 추출 전략, Gas-solid reaction-based selective lithium leaching strategy for efficient LiFePO4 recycling)
