찰머스 공과대학교 연구진이 전기 자동차 배터리에서 금속을 재활용하는 새롭고 효율적인 방법을 제안했습니다. 이 방법은 사용済み 전기차 배터리에서 알루미늄을 100%, 리튬을 98% 회수합니다. 이를 통해 니켈, 코발트, 망간과 같은 귀중한 원자재 손실을 최소화할 수 있습니다. 연구진은 식물에서도 발견되는 옥살산을 사용했기 때문에 이 공정에는 값비싸거나 유해한 화학 물질이 필요하지 않습니다.
지금까지 옥살산을 이용해 이 정도 양의 리튬을 분리하고 알루미늄을 완전히 제거하는 데 적합한 조건을 찾은 사람은 아무도 없었습니다. 찰머스 공과대학교 화학공학과 박사 과정 학생인 레아 루케트는 모든 배터리에 알루미늄이 포함되어 있으므로 다른 금속을 손실하지 않고 알루미늄만 제거할 수 있어야 한다고 말했습니다.
찰머스 공과대학교 배터리 재활용 연구실에서 레아 루케트와 연구 책임자 마르티나 페트라니코바는 새로운 재활용 방법의 작동 원리를 시연했습니다. 연구실에는 사용済み 자동차 배터리가 있었고, 흄 후드 안에는 미세하게 분쇄된 검은색 분말이 투명한 액체인 옥살산에 녹아 있었습니다. 레아 루케트는 주방용 믹서처럼 생긴 도구를 사용하여 액체와 분말을 섞었습니다. 마치 커피를 내리는 것처럼 간단해 보이지만, 이 방법은 독창적이며 최근 발표된 과학적 혁신입니다. 연구진은 온도, 농도, 시간을 정밀하게 조절하여 대황이나 시금치 같은 식물에서도 발견되는 친환경 성분인 옥살산을 사용하는 새로운 방법을 개발했습니다.
오늘날 사용되는 무기화학물질을 대체할 대안이 필요합니다. 또한, 현대 공정의 가장 큰 병목 현상 중 하나는 알루미늄과 같은 잔류 물질 제거입니다. 찰머스 공과대학교 화학공학과 부교수인 마르티나 페트라니코바는 이러한 혁신적인 접근 방식이 재활용 산업에 새로운 대안을 제시하고 발전을 저해하는 문제들을 해결하는 데 도움이 될 수 있다고 말했습니다.
액체 기반 처리 방식을 습식 제련이라고 합니다. 전통적인 습식 제련에서는 알루미늄이나 구리 같은 불순물을 먼저 제거한 후 리튬, 코발트, 니켈, 망간과 같은 귀금속을 추출합니다. 이 과정에서 알루미늄과 구리는 소량만 남지만, 여러 단계의 정제 과정을 거쳐야 하고 각 단계마다 금속이 손실됩니다. 새로운 방법에서는 연구진이 분리 방식을 바꿔 리튬과 알루미늄을 먼저 분리했습니다. 이를 통해 새로운 배터리 제조에 필요한 귀금속의 낭비를 줄일 수 있습니다.
심지어 과정의 후반부, 즉 어두운 혼합물을 여과하는 과정조차도 커피를 내리는 과정을 연상시킵니다. 알루미늄과 리튬은 액체에 녹아들지만, 다른 금속들은 "찌꺼기"에 남습니다. 이 과정의 다음 단계는 알루미늄과 리튬을 분리하는 것입니다.
“이러한 금속들은 서로 매우 다른 성질을 가지고 있기 때문에 분리하는 것이 어렵지 않을 것이라고 생각합니다. 저희의 새로운 방법은 배터리 재활용에 있어 유망한 새로운 길을 열어주며, 저희는 이 분야를 더욱 심층적으로 연구할 동기를 충분히 갖고 있습니다.”라고 리아 루케트는 말했습니다. “이 방법은 대규모로 적용 가능하기 때문에 향후 산업계에서 유용하게 활용될 수 있기를 기대합니다.”라고 마르티나 페트라니코바는 덧붙였습니다.
마르티나 페트라니코바 연구팀은 수년간 리튬 이온 배터리의 금속 재활용 분야에서 선도적인 연구를 수행해 왔습니다. 이 연구팀은 전기 자동차 배터리 재활용 관련 기업들과 협력하고 있으며, 볼보 자동차 및 노스볼트의 니바트(Nybat) 프로젝트와 같은 주요 연구 개발 프로젝트에 참여하고 있습니다.
연구에 대한 추가 정보: "리튬 이온 전기차 배터리에서 리튬의 완전 선택적 회수: 옥살산을 침출제로 사용한 모델링 및 최적화"라는 제목의 과학 논문이 Separation and Purification Technology 저널에 게재되었습니다. 이 연구는 찰머스 공과대학교 화학공학과 소속의 Leah Rouquette, Martina Petranikova, Natalia Vieceli 연구진이 수행했습니다. 스웨덴 에너지청, 스웨덴 배터리 기지, Vinnova의 지원을 받아 진행되었으며, Stena Recycling과 Akkuser Oy에서 처리한 사용済み 볼보 전기차 배터리를 사용하여 실험을 수행했습니다.
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