전기차 폐배터리, 오염 물질없이 '재활용'한다

한국원자력연구원

전민구 한국원자력연구원 책임연구원, 김형섭 선임연구원, 김경선 학생연구원, 김성욱 책임연구원 (왼쪽부터). 원자력연 제공

국내 연구진이 전기차 등에서 나온 폐배터리를 재활용할 수 있는 기술을 개발했다.

한국원자력연구원은 김형섭 중성자과학부 선임연구원이 이끈 연구팀이 전기차 폐배터리의 양극 소재 재활용 기술을 개발해 국제 학술지 '재료화학저널A'에 지난달 21일 온라인 게재했다고 11일 밝혔다. 

양극 소재 재활용은 다 쓴 폐배터리의 양극을 원상태로 회복시키거나 성능을 올려 다시 쓰는 것을 말한다. 전기차 배터리로 활용되는 리튬이온전지는 양극, 음극, 전해질, 집전체로 구성돼 있다. 이중 양극 소재는 배터리 전체 단가의 40%를 차지하는데 소재에 쓰인 리튬, 니켈, 코발트 등의 금속을 회수해 재활용하는 방안이 대두되고 있다. 

기존 재활용 공정에서는 양극 소재를 폐배터리에서 분리해 '블랙파우더'라는 분말 형태로 만들었다. 이를 화학 용액으로 녹이거나(습식 처리) 900도(°C)의 고온에서 소각(건식 처리)해 남은 금속 원소를 회수하는 방법이었다. 그러나 습식 공정은 독성이 높은 폐수를, 건식 공정은 대기오염을 발생시킨다는 단점이 있었다.

연구팀은 블랙파우더에 염소가스를 주입해 염화리튬(LiCl)과 잔여 블랙파우더로 분리했다. 염화리튬은 공기에 노출되면 수분을 흡수하며 녹기 때문에 리튬 수거가 용이하다. 이 방법으로 리튬을 97%까지 회수했다. 리튬을 제거한 블랙파우더에는 추가로 리튬과 니켈을 투입해 고온에서 합성하는 방법으로 양극 소재 안의 니켈 함량은 늘리고 리튬은 소재 내에 균일하게 분포되도록 만들었다. 이를 통해 기존 양극 소재보다 30% 수명이 연장된 소재를 제작했다.  

이어 실시간 고온 회절 분석을 활용해 재활용 과정에서 발생하는 구조적 변화를 실시간으로 관찰하고 재합성 매커니즘을 규명했다. 회절 분석은 중성자나 X-선으로 물질의 원자 구조를 분석하는 기술이다. 리튬 원자의 위치, 움직임 같은 미세한 구조를 파악할 수 있다.

김 선임연구원은 "기술을 고도화해 국내 기업에 이전할 계획"이라며 이번 기술이 "향후 폐배터리 친환경 재활용 가이드라인을 제시할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

[박건희 기자 wissen@donga.com]