전기차 폐배터리에서 리튬인산철 뽑아내 재활용한다

원자력연구원, LFP 배터리 재활용 기술 개발
폐 배터리 속 리튬을 99.8% 고순도로 추출
폐수도 산성폐수가 아닌 소금물 형태로 친환경

한국원자력연구원 중성자과학부 김형섭 박사팀이 재활용 공정을 통해 합성한 LFP 배터리를 테스트하고 있다. 원자력연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국원자력연구원은 중성자과학부 김형섭 박사팀이 전기차에 사용한 리튬인산철(LFP) 배터리를 경제적이고 친환경적으로 재활용할 수 있는 새로운 공정 개발에 성공했다고 10일 밝혔다. 원자력연구원은 기술에 대한 국내 특허 등록을 완료했으며, 기술 이전을 희망하는 기업을 발굴하고 있다. 추후 기술 이전이 이뤄지면 기업과 공동 연구를 통해 대용량 처리 기술 개발 등 상용화를 본격적으로 추진할 계획이다.

이 기술로 폐 LFP 배터리에서 리튬을 99.8% 고순도로 추출해 낼 수 있으며, 추출 공정에서 나오는 폐수도 소금물 형태여서 친환경적이다.

LFP 배터리는 전기차에 주로 활용되던 니켈·코발트·망간 삼원계(NCM) 리튬이온 배터리보다 가격이 저렴하고 안전해 2024년 기준 LFP 배터리의 글로벌 전기차 시장 점유율이 40%를 넘어섰다.

LFP 배터리는 양극 소재로 리튬인산철을 사용해 기존 리튬이온 배터리와 양극 소재만 다르다.

연구진은 LFP 폐배터리를 분해하면 나오는 분말 형태의 양극 소재를 염소 기체와 200도에서 10분간 반응시켜 리튬을 염화리튬(LiCl) 형태로 추출했다. 염화리튬은 상용화된 기존 변환 공정을 통해 탄산리튬(Li2CO3)이나 수산화리튬(LiOH)으로 전환해 새로운 LFP 배터리의 양극 소재 합성 원료로 다시 사용할 수 있다.

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.

또한 재활용 공정에서 발생하는 부산물은 소금물 형태로, 기존 방식에서 나오는 산성폐수와 달리 매우 친환경적이다.

한국원자력연구원 중성자과학부 김형섭 박사팀이 하나로 중상자 회절 분석 장치를 활용해 재활용한 배터리 소재를 정밀 분석하고 있다. 원자력연구원 제공

연구진은 이번 공정의 성능을 입증하기 위해 국내 유일의 연구용 원자로인 하나로의 중성자 회절 분석 장치로 소재에 대한 정밀 분석을 실시했다. 그 결과, LFP 배터리에 있던 리튬 99.8%가 추출됐으며, 추출된 리튬의 순도도 98.8%였다.

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 말했다.

한편, 연구진은 배터리 재활용 기술을 화학 분야 국제적 학술지인 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자