-원자력연, 리튬인산철(LFP) 배터리의 경제적․친환경적 재활용 新공정 개발-

-하나로 중성자 회절 분석을 통해 성능 입증, 특허 등록 완료 및 기술 이전 추진-

□ 글로벌 전기차 배터리 시장이 출렁이고 있다. 그동안 전기차에 주로 활용되던 니켈·코발트·망간 삼원계(NCM) 리튬이온 배터리보다 가격이 저렴하고 안전한 리튬인산철(LiFePO4, 이하 LFP) 배터리가 그 주인공이다. 2024년 기준 LFP 배터리의 글로벌 전기차 시장 점유율이 40%를 넘어섰다. 최근 약점으로 지적되던 재활용 기술까지 개발되어 관심이 집중된다.

사진 1. 한국원자력연구원이 리튬인산철(LFP) 배터리의 재활용 기술을 개발했다.

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

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

 ㅇ 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.

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

 ㅇ 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.

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

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

사진 2. 하나로 중상자 회절 분석 장치를 활용한 정밀 분석으로 재활용 소재의 성능을 입증했다.

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

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

사진 3. 재활용 공정을 통해 합성한 LFP 배터리는 테스트 결과 정상적으로 작동했다.

□ 이번 연구는 과학기술정보통신부 학연협력플랫폼구축 시범사업과 산업통상자원부의 저탄소 고부가 전극재제조 혁신기술개발사업의 지원으로 진행됐으며, 연구 결과는 화학 분야 국제적 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF:13.4)’에 게재되었다.

   *(논문명) Gas-solid reaction-based selective lithium leaching strategy for efficient LiFePO4 recycling

            효율적인 리튬인산철 재활용을 위한 기체-고체 반응 기반 선택적 리튬 추출 전략

            (1저자 김경선 학연학생, 교신저자 김형섭 책임연구원)

□ 연구원은 기술에 대한 국내 특허 등록을 완료했으며, 기술 이전을 희망하는 기업을 발굴하고 있다. 추후 기술 이전이 이루어지면 기업과 공동 연구를 통해 대용량 처리 기술 개발 등 상용화를 본격적으로 추진할 계획이다.

□ 연구원 정영욱 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.