《신기술 2》 효율성 높인 폐리튬이온배터리 재활용 분리공정

편집부 기자
입력 2023.07.17 00:00

효율성 높인 폐리튬이온배터리 재활용 분리공정과

높은 전도성 내구성 확보한 수소연료전지

충전과 방전을 할 수 있는 이차전지의 한 종류인 리튬이온배터리는 가장 가벼운 금속원소인 리튬으로 만들어 무게가 가볍고 에너지밀도가 높다. 휴대전화, 노트북, 전기자동차 등 폭넓게 사용되며 그 수요는 더욱 증가할 전망인 리튬이온배터리. 사용증가만큼 폐기물의 양이 늘어나며 처리 방안이 골칫거리다. 또한 폐리튬배터리는 폭발, 화재의 위험성이 크고, 유독물질이 밖으로 새어 나와 환경 및 안전 문제가 발생할 수 있다. 이에 폐배터리에서 재활용하는 기술에 관심이 높지만 한계가 있었다. 또한 수소와 산소의 화학반응으로 발생하는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 고효율·친환경 발전 장치인 수소연료전지는 현재 열적, 기계적, 화학적 안정성을 가진 나피온(Nafion)을 전해질로 사용해 높은 수소이온 전도도를 구현했지만 작동하는 온도의 기점이 낮고 메커니즘이 불분명해 성능 향상에 한계가 있다는 단점을 가진다. 이러한 한계와 단점을 극복한 연구 방법이 개발되어 화제다.

정리 편집부

자료 IBS

기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질 연구단 바르토슈 그쥐보프스키 그룹리더(UNIST 특훈교수) 연구팀은 반응 용기 하나로 폐리튬이온배터리에서 금속을 재활용하는 새로운 방법을 개발했다. 복잡한 재활용 공정을 단순화할 수 있어, 시간과 비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

복잡하고 고비용 …
낮은 기존의 폐배터리 재활용

리튬이온배터리는 충전과 방전을 할 수 있는 이차전지의 한 종류이다. 리튬이온배터리는 가장 가벼운 금속원소인 리튬으로 만들어 무게가 가볍고 에너지밀도가 높다. 휴대전화, 노트북, 전기자동차 등 폭넓게 사용되며 그 수요는 더욱 증가할 전망이다. 그러나 리튬이온배터리 폐기물의 양이 늘어나며 처리 방안이 골칫거리다. 충·방전을 반복해서 성능이 떨어져 수명이 다한 배터리는 교체해야 하는데, 교체 후 남은 폐배터리는 매립지나 소각장에 그냥 버릴 수 없다. 폭발, 화재의 위험성이 크고, 유독물질이 밖으로 새어 나와 토양과 물에 유출될 수 있어 환경 및 안전 문제가 발생할 수 있기 때문이다.

이에 폐배터리에서 리튬, 니켈, 코발트와 같이 값비싼 원재료를 추출해 재활용하는 기술에 관심이 높다. 하지만 기존 재활용 공정은 복잡하고 비용이 많이 든다. 이는 현재 폐배터리의 재활용률이 매우 낮은 이유 중 하나이다. 대부분 폐배터리를 잘게 쪼개고 분쇄해 검은색 덩어리(블랙파우더)로 만들고, 화학처리 등으로 원재료인 금속을 걸러내는 과정을 거친다.

반응 용기 하나로 폐배터리에서
금속만 효율적으로 분리

먼저 블랙파우더를 화학적 공정을 위해 원통형 탱크로 옮기고, 산이나 특정 금속과 결합하는 추출제1)를 넣어 섞어준다. 물과 기름이 위아래로 분리되듯 특정 금속이 녹아든 추출제는 나머지 금속이 녹아있는 용액과 분리된다. 그다음 특정 금속만 품은 추출제만 빼내어 금속을 추출한다. 이 순서를 반복하면서 각 원재료용 추출제로 금속을 분리한다. 이처럼 기존 공정은 여러 개의 반응 용기와 각기 다른 반응 조건이 필요해서 복잡하다. 이에 분리막을 사용해 하나의 원통에서 금속을 분리·추출하고자 하는 많은 연구가 있었으나, 강하게 섞을 때 분리막이 파열되는 등 한계가 있었다.

연구팀은 과거 개발한 화학 공정 기술을 폐배터리 재활용 공정기술에 적용하여 효율성을 높였다. 연구팀은 2020년 반응 용기 하나로 여러 화학 공정을 손쉽게 처리할 수 있는 화학 합성 시스템을 개발한 바 있다. 밀도가 다른 용액은 서로 섞이지 않고 층별로 쌓인다는 사실에 착안해, 회전 가능한 원통2) 안에 여러 용매를 넣고, 이 용매를 이용해 반응물을 이동하거나 분리하는 방식으로 기존 화학 합성 과정에 드는 시간을 크게 단축시켰다.

이번에 개발한 회전하는 반응기는 수평 형태로 여러 용기를 거치지 않고도 한번에 금속 혼합물을 분리하고 추출할 수 있다. 용기 안에는 금속 혼합물을 공급하는 층(feed층)과 분리된 금속을 수용하는 층(acceptor층), 두 층을 섞이는 것을 방지하는 층(shuttle층)으로 구성되어 있다. 금속을 공급하는 층은 높은 산성을, 수용하는 층은 낮은 산성을 띈다. 두 층이 섞이는 것을 방지하는 층에는 유기물질로 이루어진 용매3)가 녹아있는데 금속을 공급하는 층과 수용하는 층을 왕복하며 선택적으로 금속을 분리시킨다.

다시 말해, 금속을 공급하는 층에 금속 혼합물을 넣고 강한 회전을 일으키면, 각 층은 물과 기름이 안 섞이는 것처럼 각각의 형태가 무너지지 않고 유지되고, 중간 층에(shuttle층) 있는 추출제로 인해 리튬, 니켈은 남고 망간과 코발트만 금속을 수용하는 층으로 이동한다. 분리막을 사용하는 단일 반응기와 달리, 이 반응기는 높은 강도로 섞어도 아무 문제가 없다는 장점이 있다.

제1저자 크리스토발 퀸타나 선임연구원은 “기존의 금속 분리·추출 방법보다 훨씬 낮은 농도의 금속 추출제로 원하는 금속을 빠르게 걸러낼 수 있다”고 말했다. 공동교신저자인 바르토슈 그쥐보프스키 그룹리더는 “이번 기술은 배터리에 사용되는 금속 이외에도 다양한 금속을 분리하는 기술에 알맞게 적용할 수 있어 활용가치가 매우 높다”고 의미를 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스 (Advanced Materials)4)’ 3월 16일 온라인 판에 실렸다.

회전하는 액체 반응기 실제 모습
이온 물질로 효율성 높인 수소연료전지

UNIST의 연구진이 친환경적 차세대 에너지원으로 주목받고 있는 수소연료전지의 효율을 혁신적으로 향상시키는 방법을 개발했다. 화학과 나명수 교수팀은 금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework, MOF)를 이용해 고체전해질 소재를 개발했다. 이를 통해 수소연료전지에서 사용되는 고체전해질 내 수소이온의 전도성을 혁신적으로 향상시켰다. 연구팀은 수소이온을 제공함과 동시에 매개체로 사용되는 손님 분자(guest molecule) 중 산성도가 낮은 손님 분자를 ‘최초’로 도입했다. 연구팀은 MOF의 기공 내부에 손님 분자의 수를 증가시키는 새로운 방법론을 통해 수소이온 전도도를 향상시키는 방법을 개발했다.

수소연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 발생하는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 고효율·친환경 발전 장치다. 현재 주로 사용되는 양성자교환막 연료전지(Proton-Exchange Membrane Fuel Cell)는 열적, 기계적, 화학적 안정성을 가진 나피온(Nafion)을 전해질로 사용해 높은 수소이온 전도도를 구현했다. 하지만 작동하는 온도의 기점이 낮고 메커니즘이 불분명해 성능 향상에 한계가 있다는 단점을 가진다. 연구팀은 그 대안으로 MOF를 주목했다. MOF는 금속과 유기물이 결합해 다공성 구조를 형성하는 물질이다. MOF의 우수한 화학적·열적 안정성 덕분에 최근 연료전지용 소재로 주목받고 있다. 또한 MOF는 생성될 때 다양한 크기의 기공을 가지게 되는데, 이렇게 형성된 기공을 통해 수소이온 전도도를 향상시키는 손님 분자를 도입할 수 있어 수소이온 전도성이 높은 물질의 개발에 유용하다.

금속-유기 골격체 기공에 이온 물질 도입

연구팀은 산성도가 낮고 양성과 음성 전하를 동시에 지닌 양쪽성 이온 물질인 설파믹산을 손님 분자로 두 종류의 MOF(MOF-808, MIL-101)에 도입했다. 손님 분자인 설파믹산은 다양한 형태의 수소 결합이 가능해 우수한 수소이온 전달 매개로 작동하게 된다. 연구팀은 MOF 기공 내부에 설파믹산의 양을 증가시켜 높은 수소이온 전도성(10-1 Scm-1 이상)을 가진 물질을 최초로 개발했다. 또한 장기간 수소이온 전도성이 유지되는 것을 확인함으로써 높은 내구성까지 확보했다.[그림 4]

이번 연구는 결정성 다공성 물질인 MOF에 적당한 산도를 가진 양쪽성 이온성 손님 분자를 도입하는 새로운 방법론을 제시했다. 이를 통해 강산성이 아닌 손님 분자를 통해 초수소이온 전도성을 가진 물질을 제조하는 첫 연구로서 의미가 있다. 기존에는 강산에 대한 안정성이 요구되는 MOF만 사용해야 하는 제약이 있었지만, 본 연구를 통해 다양한 MOF를 사용할 수 있음을 보여줬다. 또한, 새로운 손님 분자 도입 방법론을 통해 MOF 기공 내에 손님 분자의 개수를 증가시킴으로써 다양한 응용 분야에서의 활용성이 확대될 수 있을 것으로 기대된다.

화학 분야의 세계적인 학술지인 <앙게반테 케미 Angewandte Chemie International Edition>

UNIST 화학과 Amitosh Sharma 박사와 임재웅 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 지난 5월 26일 화학 분야의 세계적인 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)에 온라인 게재됐으며 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문(Back cover)으로 6월 20일 선정됐다.5)

1) 추출에 사용되는 용매

2) 빠르게 회전하는 원통에서는 원심력 때문에 밀도가 높은 액체가 바깥으로 쏠린다.

3) 용액의 매체가 되어 용질을 녹이는 물질. 소금물을 예로 들면 소금물이 용액이고 소금은 용질, 물이 용매이다.

4) 논문/저널/저자 : One-Pot, Three-Phase Recycling of Metals from Li-Ion Batteries in Rotating, Concentric-Liquid Reactors / Advanced Materials, 16 March 2023 / Cristobal Quintana, Olgierd Cybulski, Barbara Mikulak-Klucznik, Tomasz Klucznik, Bartosz A. Grzybowski

5) 논문명: Superprotonic Conductivity of MOFs Confining Zwitterionic Sulfamic Acid as Proton Source and Conducting Medium)