지질자원연, 친환경 리튬인산철(LFP) 폐배터리 재활용 기술 개발
저온 건식 재활용 기술 적용 CO₂ 배출 획기적 저감·슬래그 무배출
[에너지신문] 2030년에는 전 세계에서 전기자동차에 사용되는 리튬인산철(LiFePO4) 배터리가 55% 이상일 것으로 예상됨에 따라 환경‧자원적 측면에서 폐LFP배터리의 재활용 기술에 대한 연구개발이 필요한 시점이다.
한국지질자원연구원(KIGAM) 자원활용연구본부 김병수 박사 연구팀(최지혁·유정현 박사)은 세계 최초로 저온 건식 재활용 기술을 적용한 ‘리튬인산철(LFP) 폐 리튬이온배터리 재활용 기술 개발’에 성공했다.
연구팀이 개발한 이 기술은 방전된 리튬이온 폐배터리를 선별 공정 없이 단순 파쇄 후 1200°C 이하의 온도에서 부분 용융해 블랙매스(리튬 95% 이상 분리, 흑연 함유량 3% 이하)와 흑연을 분리 회수(80% 이상)할 수 있는 세계 최초의 친환경 저온 건식재활용 기술이다.
현재 폐배터리 재활용 기술은 대부분 NMC(니켈/코발트/망간) 또는 NCA(니켈/코발트/알루미늄) 배터리 계열에 적용된다. 특히 기계적 파분쇄→건조→물리적 선별→열 처리후 습식공정을 거치거나 질소 또는 대기분위기에서 1400°C 이상의 건식공정 처리 후 습식공정을 통해 재활용하고 있다.
김병수 박사 연구팀이 개발한 친환경 저온 건식재활용 기술은 세계 최초로 LFP(리튬인산철) 계열에 적용한 폐배터리 재활용 혁신 기술로 폐배터리의 선별 공정 없이 단순 파쇄만 하는 장점이 있다.
또한 질소가 아닌 일반적인 대기분위기 1200°C 이하에서 부분용융해 흑연 함유량을 대폭줄인 블랙매스와 흑연의 분리회수가 가능하다.
특히 화학물질을 사용하지 않아 슬래그가 배출되지 않으며, 기존 기술보다 200°C이상 공정 온도를 낮춰 CO₂배출을 획기적으로 저감한 환경 친화형 건식공정 기술이다.
연구팀의 기술은 집전체인 알루미늄과 구리, 알루미늄-구리 합금의 녹는점이 비교적 낮다는 특성을 이용해 NCM, NCA배터리에도 적용이 가능하다.
또한 현재 상용 중인 용융환원 공정보다 에너지 집약적 용해과정이 필요하지 않아 운용이 매우 쉽고 저온으로 시설 투자비가 저렴한 장점도 있다.
연구팀은 이번 기술 개발로 재활용 공정의 단순화와 운영비 절감 등을 통해 국내 재활용 기업들이 친환경·저비용의 리튬, 코발트, 니켈 화합물 등을 회수할 수 있는 원천기술과 인프라를 제공하는 한편, 다양한 사업화를 통한 친환경 자원 재활용 선순환 체계 구축에도 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
기술개발을 주도한 김병수 박사(책임연구원)은 “이번 기술개발은 세계 최초로 시도된 친환경 리튬인산철 배터리 재활용 기술로, 기존 상용화된 기술의 복잡한 공정은 물론 환경적 문제점을 보완하고 개선한 혁신적인 기술”이라며 “앞으로 친환경 폐배터리 재활용 기술의 고도화를 통해 관련 기업에 기술이전을 확대하고 국가 자원 사업 경쟁력 확보를 위해 최선을 다하겠다”고 밝혔다.
이평구 한국지질자원연구원 원장은 “전기자동차 배터리 등 리튬이온배터리의 수명연한이 가까워지는 시점에서, 폐배터리 재활용 기술은 혁신기술의 총아가 될 수밖에 없다”며 “친환경 자원재활용 초격차 기술 개발과 국가 핵심광물 확보를 위해 최선을 다하겠다”고 밝혔다.
한편 이번 기술개발은 성공률 98%보다는 실패율 98%에 도전하는 지질자원분야 최초 연구에 대한 도전 사업으로 실패도 용납하는 열려있는 연구의 장(R&D샌드박스)에서 나온 성과라 큰 의미가 있다고 할 수 있다.