[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

전기차, ESS시장의 성장으로 배터리의 사용량이 급격히 증가하면서 폐배터리 발생량도 꾸준히 늘고 있다. 배터리 사용의 증가로 전략금속의 수요가 공급을 초과하는 현시점에, 폐배터리를 재활용하는 기술은 자원확보와 환경 보호를 위해 필수적이다.

현재 산업계에서 널리 사용되는 배터리 재활용 방식은 황산 용액으로 금속을 침출한 후 용매추출을 거치는 습식 제련법이다. 이 방법은 다량의 산과 화학약품을 사용하며, 염폐수(망초 등) 부산물을 발생하여 환경오염 및 처리비용 문제를 야기한다.

이에 따라 전기화학적 금속회수가 새로운 대안으로 주목받고 있으며, 특히 전착(electrodeposition)기술은 침출액에서 금속 이온을 직접 회수할 수 있어 화학약품의 사용을 크게 줄일 수 있다. 하지만, 배터리의 핵심 요소인 코발트와 니켈을 분리하는 것은 쉽지 않다. 두 금속은 환원전위가 거의 유사하여 선택적 회수가 어렵고(코발트: -0.277, 니켈: -0.250 V vs SHE), 장시간 전착 시 농도 변화로 인해 네렌스트식에 의해 환원전위가 변화하며 공증착(co-deposition) 되는 문제가 발생한다.

2.연구내용

이러한 문제를 공융용매를 사용하여 해결하였다. 코발트는 콜린 클로라이드(choline chloride)와 니켈은 에틸렌 글라이콜(ethylene glycol)과 서로 다른 금속-리간드 종을 형성한다. 이로 인해 코발트의 환원전위는 음의 방향으로 이동하며, 두 금속 간 전위 차가 발생하게 되어 니켈만 선택적으로 회수할 수 있는 전위를 확보하였다.

적절한 전위를 선별하여 인가하였음에도 불구하고 장시간 회수가 진행됨에 따라 용액 속 니켈의 농도는 감소하고, 코발트의 농도는 유지되어 코발트의 전착이 유리한 환경이 조성되어 코발트의 공증착이 발생하게 된다. 이를 양극반응으로 생성된 염소계 화학종(Cl3-/Cl2)이 공증착된 코발트를 선택적으로 용해시켜 높은 니켈의 순도를 유지하도록 하였다.

이후 실제 NMC 배터리 침출액에 적용하여 니켈, 코발트, 망간을 순차적으로 회수하였으며, 금속의 회수가 완료된 공융용매를 4회 재사용하며 순도 및 회수율이 유지됨을 확인하였다.

3.기대효과

본 연구는 폐배터리에서 전략금속의 회수를 위하여 화학약품의 사용을 최소화하며 전기화학적으로 금속을 고순도로 회수 할 수 있는 기술을 제시한다. 이를 통해 기존 황산 기반 습식 제련의 문제였던 염폐수(망초 등) 발생과 강산의 사용량을 크게 줄여, 환경적-경제적 문제를 해결할 수 있다.

전기차 등에 투입되는 배터리는 탄소중립 구현을 위한 필수적인 에너지 저장장치이며, 본 기술은 궁극적 탄소중립을 위해 구현되어야 할 폐배터리 재활용에 있어, 그 과정 자체도 친환경적이며 탄소중립적인 방법으로 구현되었다는 점에서 의미가 있다.

또한, 공융용매를 이용한 금속-리간드 제어 기반 선택적 전착 기술은 향후 다양한 금속 자원 회수에도 응용될 수 있다.

본 기술은 자원순환 산업, 2차전지 재활용 시장 등에 기여할 수 있으며 전략금속 확보를 위한 국가 자원 안보 강화에도 큰 파급효과를 가져올 수 있다.

[붙임] 용어설명

1.전착(Electrodeposition)

전착은 전기화학 반응을 이용해 용액 속 금속 이온을 고체 금속 형태로 전극 표면에 석출시키는 과정이다. 외부에서 전압을 걸어주면, 용액에 녹아 있던 금속 이온이 전자를 받아 환원되고, 전극 표면에 얇은 금속층으로 달라붙는다. 이번 연구에서는 폐배터리 용액에 포함된 니켈과 코발트를 각각 다른 전위에서 선택적으로 전착시켜 순수 금속 형태로 회수했다.

2.네렌스트식(Nernst Equation)

네렌스트식은 전기화학 반응에서 전극의 전위가 용액 속 이온의 농도에 따라 어떻게 변하는지를 나타내는 식이다. 금속 이온 농도가 낮아질수록 전극의 환원전위가 더 음의 방향으로 이동한다. 즉, 전착이 진행되면서 용액 속 금속이 줄어들면, 그 금속이 다시 석출되기 위해 더 큰 전압이 필요해진다. 이 때문에 장시간 전착을 하면 처음에는 한 금속만 석출되다가 점차 다른 금속이 함께 달라붙는 공증착 현상이 발생할 수 있다.이번 연구에는 염소 성분이 장시간 전착했을 때 코발트가 함께 공증착되는 현상을 억제해 니켈 분리 순도를 높일 수 있었다.

3.공융용매(Deep Eutectic Solvent, DES)

두 가지 이상의 물질을 일정 비율로 섞었을 때, 각각의 녹는점보다 훨씬 낮은 온도에서 액체가 되는 혼합물을 말한다. 쉽게 말해, 서로 결합하면서 ‘함께 녹는점이 내려간’ 특수한 액체다. 빙판 위에 염화칼슘을 뿌리면 얼음의 어는점이 내려가 쉽게 녹는 것과 같은 원리다.일반적으로 이온성 화합물(예: 콜린클로라이드)과 수소 결합 공여체(예: 에틸렌글라이콜)가 만나 만들어진다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 전기화학적 공융용매(특수용매) 기반 폐배터리 금속 순차 회수 공정 모식도

폐배터리를 분해해 얻은 NMC 블랙파우더를 염산에 녹인 뒤 이를 공융용매와 섞는다. 여기에 서로 다른 전압을 가하면 전극에 니켈, 코발트, 망간이 차례로 고체가 되어 달라붙고, 이를 회수해 재활용할 수 있다.