전기차 배터리 신흥강자 `리튬인산철`, 재활용 시대 왔다…리튬 99.8% 추출·순도 98.8%

원자력연, 염소기체 활용한 재활용 공정기술 개발
인산철 손상 없어 양극소재로 재합성 후 활용 가능

한국원자력연구원은 최근 주목받고 있는 리튬인산철(LFP) 배터리의 재활용 기술을 개발했다. 사진은 재활용 기술 개념도. 원자력연 제공

최근 전기차 배터리 시장의 신흥 강자로 통하는 리튬인산철(LFP) 배터리 재활용 기술이 개발됐다.

한국원자력연구원은 김형섭 박사 연구팀이 전기차에 사용한 LFP 배터리를 경제적·친환경적으로 재활용할 수 있는 새로운 공정 기술을 내놨다고 10일 밝혔다.

LFP 배터리는 양극 소재재와 음극 소재로 각각 리튬인산철, 흑연을 사용하는 방식으로 기존 리튬이온 배터리와 양극 소재만 다르다. 이런 화학적 특성으로 산소 배출을 억제해 화재와 폭발 가능성이 낮아 최근 삼원계(니켈·코발트·망간) 리튬이온 배터리를 대체하는 전기차 배터리로 많이 사용되고 있다. 지난해 기준 LFP 배터리의 글로벌 전기차 시장 점유율이 40%를 넘었을 정도로 큰 반향을 얻고 있다.

하지만 산성 용액으로 처리하는 기존 LFP 배터리 재활용 방식은 높은 비용에 비해 회수할 수 있는 원료가 리튬 밖에 없어 경제성이 떨어지고, 폐산성 용액이 다량 발생해 환경오염 문제를 유발한다.

연구팀은 염소기체를 활용해 LFP 배터리의 양극 소재인 리튬인산철을 경제적으로 친환경적으로 추출하는 공정을 개발했다. LFP 배터리를 분해하면 나오는 분말 형태의 양극 소재를 염소기체와 200도에서 10분 간 반응시키면 리튬이 염화리튬 형태로 추출된다. 염화리튬은 상용화된 기존 변환 공정을 통해 탄산리튬이나 수산화리튬으로 전환해 새로운 LFP 배터리 원료로 다시 사용할 수 있다.

기존 산성 용액 처리 방법으로는 재활용이 어려웠던 인산철도 구조 손상이 거의 없어 양극 소재로 재합성하거나 차세대 리튬금속 배터리 소재로 활용할 수 있어 경제성이 높다고 연구팀은 설명했다. 아울러, 재활용 공정에서 발생하는 부산물은 소금물 형태여서 기존 산성 폐수와 달리 친환경적이다.

연구팀은 연구용 원자로인 '하나로'의 중성자 회절 분석 장치를 이용해 재활용 소재를 정밀 분석한 결과, LFP 배터리에 있던 리튬 99.8%가 추출됐으며, 추출된 리튬의 순도도 98.8%로 매우 높은 것으로 나타났다.

정영욱 원자력연 하나로양자과학연구소장은 "LFP 배터리 재활용에 상당한 파급 효과를 가져올 것"이라며 "앞으로 기술이전을 통한 기업과 공동 연구를 진행해 대량 생산을 위한 상용화를 추진할 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr