원자력硏, 전기차 LFP 배터리 약점 극복…리튬이온 대체 '속도'

리튬인산철 배터리 경제·친환경적 재활용 새 공정 개발

하나로 중성자 회절분석서 성능 입증, 기술 이전 나서

[대전=뉴시스] 원자력연구원이 리튬인산철(LFP) 배터리의 재활용 기술을 개발했다.(사진=원자력연구원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 전기차 배터리 시장에서 기존 리튬이온 배터리를 대체하고 있는 리튬인산철(LiFePO4·이하 LFP) 배터리의 약점을 국내 연구진이 해결했다.
 
한국원자력연구원은 전기차에 사용한 LFP 배터리를 경제적이고 친환경적으로 재활용할 수 있는 새로운 공정개발에 성공했다고 10일 밝혔다.

그동안 전기차에 주로 활용되던 니켈·코발트·망간 삼원계(NCM) 리튬이온 배터리보다 가격이 저렴하고 안전한 LFP 배터리가 점차 전기차 베터리 시장을 장악하고 있다.

LFP 배터리는 양극소재로 리튬인산철, 음극소재는 흑연 등을 사용하는 배터리로 기존 리튬이온 배터리와 양극소재만 다르다. 리튬인산철의 화학적 특성으로 산소배출이 억제돼 화재 및 폭발 가능성이 현저히 낮아 최근 전기차 배터리로 많이 사용되고 있다.

하지만 LFP 배터리를 기존 배터리 재활용 방식인 산성용액으로 처리하면 높은 비용 대비 회수할 수 있는 원료가 리튬(Li)밖에 없어 경제성이 떨어지고 다량의 폐산성 용액이 발생해 환경오염 문제가 있다.

이번에 원자력연구원 중성자과학부 김형섭 박사팀은 염소(CI₂) 기체를 활용해 LFP 배터리의 양극소재를 경제적이고 친환경적으로 추출하는 공정을 개발했다.

LFP 폐배터리를 분해해 나오는 분말형태의 양극소재를 염소기체와 200℃에서 10분간 반응시키면 리튬이 염화리튬(LiCl) 형태로 추출된다. 염화리튬은 상용화된 기존 변환공정을 통해 탄산리튬(Li2CO3)이나 수산화리튬(LiOH)으로 전환, 새로운 LFP 배터리의 양극소재 합성 원료로 다시 사용할 수 있다.

양극소재의 인산철(FePO4)도 기존 산성용액 처리방법에서는 구조가 손상돼 재활용이 불가능했지만 이 기술에서는 손상이 거의 없어 LFP 배터리 양극소재로 재합성하거나 차세대 리튬 금속 배터리 소재로 활용 가능해 경제성이 높다.

특히 재활용 공정에서 발생하는 부산물은 소금물(NaCl) 형태로 기존 방식에서 나오는 산성폐수와 달리 매우 친환경적이라는 잇점도 가진다.

연구팀이 새 공정의 성능을 입증키 위해 연구용 원자로인 하나로의 중성자 회절분석장치로 정밀 분석한 결과, LFP 배터리에 있던 리튬 99.8%가 추출됐고 추출된 리튬의 순도도 98.8%로 매우 높은게 확인됐다.

연구 결과는 화학 분야 국제적 학술지인 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF:13.4)'에 최근 게재됐다.(논문명:Gas-solid reaction-based selective lithium leaching strategy for efficient LiFePO4 recycling)

연구원은 개발된 기술에 대한 국내 특허 등록을 완료했으며 기술이전을 희망하는 기업을 발굴, 상용화에 나선다는 계획이다.

정영욱 하나로양자과학연구소장은 "LFP 배터리의 시장 점유율이 높아짐에 따라 이번 재활용 기술은 파급효과가 상당할 것"이라며 "중성자를 활용한 폐배터리 진단 및 재활용 공정 개선을 위해 지속적으로 노력하겠다"고 말했다.


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