원자력연, 전기차 배터리 재활용 가능한 새 공정 개발

한국원자력연구원은 전기차에 사용한 리튬인산철(LFP) 배터리를 경제적이고 친환경적으로 재활용할 수 있는 새로운 공정 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.

LFP 배터리는 양극 소재로 리튬인산철, 음극 소재는 흑연 등을 사용하는 배터리로, 기존의 리튬이온 배터리와 양극 소재만 다르다. 리튬인산철의 화학적 특성으로 산소 배출이 억제돼 화재 및 폭발 가능성이 현저히 낮아 최근 전기차 배터리로 많이 사용되고 있다.

하지만 LFP 배터리를 기존의 배터리 재활용 방식인 산성 용액으로 처리하면 높은 비용 대비 회수할 수 있는 원료가 리튬(Li)밖에 없어 경제성이 떨어진다. 그리고 다량의 폐산성 용액이 발생해 환경 오염 문제도 있었다.

이에 김형섭 원자력연 중성자과학부 박사 연구팀은 염소(Cl2) 기체를 활용해 LFP 배터리의 양극 소재를 경제적이고 친환경적으로 추출하는 공정을 개발했다.

LFP 폐배터리를 분해하면 나오는 분말 형태의 양극 소재를 염소 기체와 200℃에서 10분간 반응시키면 리튬이 염화리튬(LiCl) 형태로 추출된다. 염화리튬은 상용화된 기존 변환 공정을 통해 탄산리튬(Li2CO3)이나 수산화리튬(LiOH)으로 전환해 새로운 LFP 배터리의 양극 소재 합성 원료로 다시 사용할 수 있다.

양극 소재의 인산철(FePO4)도 기존 산성 용액 처리 방법에서는 구조가 손상돼 재활용이 불가능했다. 하지만 이 기술에서는 손상이 거의 없어 LFP 배터리 양극 소재로 재합성하거나 차세대 리튬 금속 배터리 소재로 활용 가능해 경제성을 높였다.

또 재활용 공정에서 발생하는 부산물은 소금물(NaCl) 형태로, 기존 방식에서 나오는 산성폐수와 달리 매우 친환경적이라는 강점도 가진다.

연구팀은 이번 공정의 성능을 입증하기 위해 국내 유일의 연구용 원자로인 하나로의 중성자 회절 분석 장치로 소재에 대한 정밀 분석을 실시했다.

그 결과 LFP 배터리에 있던 리튬 99.8%가 추출돼 있었으며, 추출된 리튬의 순도도 98.8%로 매우 높은 효율을 확인할 수 있었다.

정영욱 원자력연 하나로양자과학연구소장은 “LFP 배터리의 시장 점유율이 높아짐에 따라 이번 재활용 기술은 파급 효과가 상당할 것”이라며 “앞으로도 중성자를 활용한 폐배터리 진단 및 재활용 공정 개선을 위해 지속적으로 노력하겠다”고 밝혔다.