리튬인산철(이하 LFP) 배터리를 재활용하는 과정에서 경제성과 친환경을 두루 챙길 수 있는 새로운 공정이 개발됐다.

한국원자력연구원(이하 원자력연)은 전기차에 사용되는 LFP 배터리를 경제적이고, 친환경적으로 재활용할 수 있게 하는 새로운 공정을 개발하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.

LFP 배터리는 양극 소재로 리튬인산철, 음극 소재로 흑연 등을 사용한다.
기존 리튬이온 배터리와 양극 소재만 다른 방식으로, 지난해 기준 글로벌 전기차 시장에서 차지하는 점유율은 40%를 넘어섰다.
LFP의 화학적 특성으로 산소 배출이 억제돼 화재 및 폭발 가능성이 현저히 낮은 덕분에 점유율이 빠르게 늘고 있는 것으로 분석된다.

다만 LFP 배터리를 기존 배터리 재활용 방식인 산성용액으로 처리하면, 많은 비용을 들여야 하는 것에 비해 회수할 수 있는 원료가 적어(리튬만 회수) 경제성이 떨어진다.
또 다량의 폐산성 용액이 발생해 환경오염 문제를 야기하는 단점이 부각됐다.

이에 원자력연 중성자과학부 김형섭 박사 연구팀은 염소(Cl2) 기체로 LFP 배터리의 양극 소재를 경제적이고 친환경적으로 추출하는 공정을 개발했다.

LFP 폐배터리를 분해할 때 생기는 분말 형태의 양극 소재를 염소 기체와 200도에서 10분간 반응시키면 리튬이 염화리튬(LiCl) 형태로 추출된다.
이어 염화리튬을 상용화된 기존 변환 공정으로 탄산리튬(Li2CO3) 또는 수산화리튬(LiOH)으로 전환하면, 새로운 LFP 배터리의 양극 소재 합성 원료로 재사용할 수 있게 하는 것이 연구팀이 개발한 공정의 핵심이다.

양극 소재의 인산철(FePO4)도 기존 산성 용액 처리 방법에서는 구조가 손상돼 재활용이 불가능했지만, 새로운 공정에서는 손상이 거의 없어 LFP 배터리 양극 소재로 재합성하거나 차세대 리튬 금속 배터리 소재로 활용 가능할 수 있다.

또 재활용 공정에서 발생하는 부산물은 소금물(NaCl) 형태로, 기존 방식에서 나오는 산성폐수와 달리 매우 친환경적이라는 강점도 갖는다.

연구팀은 이번 공정의 성능을 입증하기 위해 연구용 원자로 하나로의 중성자 회절 분석 장치로 소재 정밀 분석을 실시했다.
이 결과 새로운 공정을 이용하면 LFP 배터리에 있던 리튬 99.8%를 추출할 수 있고, 추출한 리튬의 순도는 98.8%에 이르는 것으로 확인됐다.

원자력연은 이 공정에 관한 국내 특허 등록을 완료했으며, 현재는 기술 이전을 희망하는 기업을 찾고 있다.
추후 기술 이전이 이뤄지면 기업과 공동연구로 대용량 처리 기술개발 등 상용화를 본격적으로 추진할 수 있을 것으로 기대된다.

정영욱 하나로양자과학연구소장은 “LFP 배터리의 시장 점유율이 높아진 상황을 고려할 때, 이번 재활용 기술이 미칠 파급 효과가 상당할 것으로 예상된다”며 “원자력연은 앞으로도 중성자를 활용한 폐배터리 진단 및 재활용 공정 개선을 위해 노력하겠다”고 말했다.