[투데이에너지 조대인 기자] 전기차 배터리로 대표되는 이차전지의 수요가 급증하면서 폐배터리에서 핵심 원료물질을 분리, 선별하고 회수할 수 있는 기술이 주목받고 있다.
한국지질자원연구원(원장 이평구) 자원활용연구본부 유광석 박사 연구팀은 폐리튬이온배터리의 해체 과정에서 나온 블랙파우더에서 양극재 물질을 분리.선별해 회수하는 공정 개발에 성공했다.
블랙파우더(Black Powder)란 폐배터리를 셀(cell) 단위까지 분리하고 잘게 분쇄해서 나오는 가루로 리튬, 니켈, 코발트 등 유용 금속들을 추출할 수 있다.
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.
카본블랙(Carbon black)이란 탄소를 함유한 화합물을 산소가 불충분한 상태에서 연소시켜 만들어지는 흑색 안료로 그을음과 유사하며 입자크기는 1~500 밀리마이크론으로 흑연과 비슷하다.
블랙파우더 내 단체분리된 양극재의 입자 크기는 20마이크로미터 이하로 일반적인 부유선별 과정에서 비말동반(Entrainment) 현상으로 양극재의 손실이 발생한다.
부유선별(浮遊選別, Flotation)이란 분쇄된 광물의 표면 특성(친/소수성)을 이용해 기포에 부착시켜 물 위에 띄우거나 남겨 둠으로써 광물 간 분리가 일어나는 일종의 습식 선별 방식이다.
비말동반(Entrainment)은 부유선별에서 미립의 입자(20마이크로미터 이하)가 기포 층에 물과 함께 유입돼 운반되는 현상을 말한다.
유광석 박사 연구팀은 광물 선별 방법인 부유선별 공정을 활용해 ‘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.
광액(Pulp)은 부유선별에서 광석 알갱이를 포함한 물을 말하며 광액 농도(Pulp density)란 광액 내 광석 알갱이 양의 정도를 말한다.
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 지질자원연구원 박사는 ”이번에 개발한 기술과 공정은 중국 등 해외 기업과의 기술 차별성 바탕으로 국내 기업의 경쟁력을 확보하는 데 크게 기여할 것”이라며 “이번 기술을 고도화해 국내 기업에 이전 및 상용화하고 지속적인 기술 지원을 통해 국가 배터리 산업 경쟁력 확보에 최선을 다하겠다”고 말했다.
이평구 지질자원연구원 원장은 “광물자원의 재활용은 이제 친환경이라는 수식어가 필수적으로 들어가야한다”라며 “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 추가 진행할 예정이다.