안녕하세요. 공대생P 입니다. 최근 배터리 대량생산에 따라 배터리 재활용에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 오늘은 폐배터리 리사이클 공정에 대하여 말씀드리고자 합니다.
1. 폐배터리란?
공장에서 생산되어 장시간 동안 사용하여 배터리로써 제 기능을 하지 못하는 배터리를 의미합니다. 리튬이온배터리는 사용자가 사용할수록 용량이 감소하는 특징이 있습니다. 따라서 장기간 사용 시, 처음에 사용하였던 용량만큼 구현하기 어렵기 때문에 영구적으로 사용하지 못하는 단점이 있습니다.
전기차 보급에 따라 현재 배터리의 수요가 폭발적으로 증가하고 있습니다. 문제는 사용하는 배터리의 수명이 다하여 이것을 어떻게 처리하는 것인데요. 2025년 기준 연간발생량은 약 3만 개이며, 2030년 기준으로는 10만 개가 될 전망이라고 합니다. 리튬이온배터리의 소재는 대표적으로 니켈, 코발트, 망간, 철 등 무기금속원소로 이루어져 있습니다. 금속 원소는 한정되어 있기 때문에 이를 어떻게 재활용하냐에 많은 관심을 받고 있습니다.
2. 폐배터리 공정
그렇다면 어떤 공정을 통해 완성품인 배터리를 광물자원으로 재활용하는지 말씀드리도록 하겠습니다. 아래 첨부한 사진은 국내 최대 업체 성일하이텍의 소개자료에 나와있는 공정입니다. 크게 해체공정, 물리적 전처리공정, 습식공정(하이드로메탈러지) 세 가지로 나뉘어 있습니다.
2.1. 폐배터리 해체공정
방전 : 충전상태로 존재하는 전지는 불안정하고 위험하기 때문에 공정 안전을 위해 전지를 완전히 방전시킵니다.
해체 : 방전된 전지를 분쇄하여 양극, 음극, 분리막 소재들로 다시 해체시킵니다.
2.2. 물리적전처리공정
파쇄 : 해체된 소재들을 파쇄하여 고운 입자로 만드는 공정입니다.
입도선별 : 입도를 선별하여 공정에 최적화된 입자를 선별합니다.
자력선별 : 자성을 이용하여 분리합니다.
소성공정 : 고온의 열처리를 이용하여 기타 불순물을 제거하여 Black powder 형태를 수득합니다.
2.3. 습식공정(하이드로메탈러지)
침출 : 수득한 Black Powder에 화학적 용매처리를 하여 금속을 이온화시키는 공정이다.
용매추출 : 사용된 용매를 추출하는 공정
전해 : 전해니켈, 전해구리 수득
결정화 : 고체상태의 황산코발트, 황산니켈, 탄산리튬, 황산망간 수득
액상 : 수용액상태의 황산코발트, 황산니켈, 황산알루미늄 수득
하이드로메탈러지는 배터리 양극재 소재를 구성하는 Ni, Co, Al, Mn등 무기 금속원소를 분리하는 과정입니다. 분리하고자 하는 무기금속원소를 화학적 처리를 이용하여 분리하는 것이 공정의 핵심입니다. 황산용매를 사용하는 것이 가장 널리 알려져 있습니다.
위 그림은 Journal of Alloys and Compounds 863 (2021) 158775 논문을 참고한 것입니다. 해당 용액의 pH 및 농도 등을 조절하여 특정금속을 분리하며 폐전지로부터 리사이클을 진행하였습니다. 문헌에서는 황산과 첨가제로 과산화수소를 사용하여 금속원소를 회수하는 방법에 대해 소개하였습니다. 국내 리사이클 업체들의 자세한 기술은 알려지지 않았지만 대부분 해당과 같은 방법을 이용하여 원소를 회수할 것이라 판단됩니다.
이번 포스팅에서는 국내에서 뜨거운 감자인 폐전지 리사이클링에 대하여 알아보았습니다. 해당 내용에 대해 더 학술적인 내용을 알고 싶으시다면 글에 참조한 해외논문을 참고하는 방법을 추천드립니다.
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