아주대·공주대, 폐배터리 재활용 기술 개발

[이데일리 신하영 기자] 아주대 연구진이 폐배터리에서 고가의 금속을 선택적으로 회수하는 기술을 개발했다.

사진=아주대 제공

아주대는 황종국(사진) 화학공학과 교수팀이 김춘수 국립공주대 교수팀과의 공동 연구에서 이러한 성과를 거뒀다고 16일 밝혔다.

연구팀은 폐배터리로부터 유가금속인 리튬 이온을 선택적으로 회수할 수 있는 고성능 리튬 이온 교환막을 개발했다.

리튬 이온 배터리는 전기차·스마트폰·태블릿·노트북 등에 폭넓게 사용되고 있으며 점차 활용도가 커지고 있다. 다만 배터리 폐기물의 대량 발생으로 친환경적으로 이를 처리하는 방법에 대한 연구가 한창이다.

현재 폐배터리 재활용에 사용되는 기술은 습식제련법이다. 주로 고가의 니켈·코발트·망간(NCM) 배터리를 재활용할 때 쓰인다. 반면 저렴한 리튬·인산·철(LFP) 베터리의 경우 비용 대비 효과가 낮아 재활용 사례가 극히 드문 것으로 알려졌다. 이 때문에 LFP 배터리를 처리하는 문제가 환경적으로 주목받고 있다.

최근 폐배터리에서 리튬 이온을 선택적으로 분리·회수하는 방법으로 전기화학적 막 분리 방법이 부각되는데 이는 전기화학적 힘을 이용하는 분리 기술이다. 주로 염호로부터 리튬 이온을 추출하는데 이용돼 왔다. 이 공정의 핵심 요소 중 하나는 이온교환막이다. 이온교환막 성능에 따라 리튬 회수 속도와 순도가 결정되기 때문이다.

현재 이온교환막으로 활용되는 고분자막은 리튬 회수 속도가 현저히 떨어진다. 또한 폐배터리 양극재에 포함된 니켈, 철 등의 고분자막 통과를 효과적으로 차단하지 못해 리튬 순도를 크게 저하시킨다.

이에 아주대 연구팀은 배터리에서 리튬이온만을 선택적으로 분리하기 위해 이온 투과 채널을 개발했다. 이를 활용하면 0.1나노미터 수준에서 이온 투과 크기를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 이온교환막의 구조적 안정성도 향상시키는 것으로 나타났다.

이번 연구는 교육부의 대학기초연구소사업 등의 지원을 받아 수행했다. 교신저자는 황종국 아주대 교수와 김춘수 국립공주대 교수가 맡았으며, 김태남 아주대 박사과정생·김현진 국립공주대 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 저명학술지(Desalination) 12월호에 게재됐다.

아주대 연구팀은 직접 개발한 안정성 높은 고성능 산화 그래핀 이온 교환막을 공주대 연구팀이 설계한 친환경 연속 전기투석 시스템에 적용했다. LFP 폐배터리 침출액으로 리튬 회수 실험을 진행한 것이다. 공동 연구팀은 이를 통해 기존에 보고된 전기화학적 리튬 회수 공정 대비 65%의 에너지로, 약 4배 향상된 리튬 회수 속도와 95%의 리튬 순도를 달성했다.

황종국 아주대 교수는 “이번 연구로 고성능 산화그래핀-나노입자 복합막을 개발할 수 있는 원천기술을 확보했다”며 “0.1 나노미터 수준에서 채널 크기의 조절이 가능해 이온 분리뿐 아니라 수소 가스 정제, 리튬·황 전지 분리막 등 다양한 분리 공정에 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

황 교수는 “이번 연구는 아주대 화학공학과와 국립공주대 환경공학과의 공동 연구 성과물로, 서로 다른 분야의 협업을 통해 폐배터리 자원화 기술을 다각도로 분석한 결과”라며 “앞으로 복합막의 대면적 양산 방안에 대한 후속 연구가 필요하다”라고 덧붙였다.