리튬 이온 배터리 재활용과 관련한 새로운 발전

리튬 이온 배터리에 대한 전 세계 수요가 급증하고 있으며 그 수요가 주요 배터리 부품과 원자재 공급을 초과하면서 중대한 변곡점이 예상되고 있습니다.

리튬 이온 배터리로 구동되는 전 세계 전기 자동차 시장은 2027년까지 8580억 달러 규모로 성장할 것으로 예상되고 있습니다. 그러나 전 세계의 리튬 이온 배터리 재활용 비율은 5%에 불과한 것으로 알려져 있습니다. 지금까지 리튬 이온 배터리 재활용은 불안정한 원재료 가격, 재활용 설비 부족, 규제 부재에 따른 영향을 받아 왔습니다. 그러나 재활용 방법의 발전, 높은 성장 잠재력, 한정적인 희소 금속 양에 따라 재활용 기술에 대한 관심이 커지고 있으며 시장 규모가 2030년까지 130억 달러 까지 증가할 것으로 예상되고 있습니다.

현재의 재활용 기법

오늘날 배터리 재활용 방법의 주요 유형은 세 가지가 있으며(그림 1) 가장 일반적인 재활용 방식은 습식 제련과 건식 제련의 조합입니다. 습식 제련과 건식 제련은 저렴한 비용과 낮은 복잡성으로 인해 관련 연구 및 특허 간행물 수가 기하급수적으로 증가했습니다(그림 2). 습식 제련은 용액(주로 수용성)을 사용하여 배터리 재료에서 금속을 추출 및 분리합니다. 건식 제련은 열을 사용하여 배터리 재료에 사용되는 금속 산화물을 금속 또는 금속 화합물로 변환합니다. 직접 재활용은 양극재를 제거한 후 재사용 또는 재생 과정을 거칩니다.

직접 재활용이 가장 좋은 이유

재활용 또는 재생 목적으로 양극재를 직접 제거하는 방식은 재활용 과정에서 결정 구조를 유지할 수 있으며 에너지, 시약 및 고정 시설 비용이 낮다는 점에서 이상적입니다. 그러나 우수한 배터리 재활용 조건을 확보하기 위해서는 더 많은 인건비와 더 높은 기준이 필요합니다. 배터리 설계의 통일성 부족과 배터리를 금속 공급 원료로 변환시키기 위한 습식 제련 및 건식 제련에 요구되는 막대한 노력이 최근까지 리튬 이온 재활용 분야에 부담을 준 주요 과제였습니다. 최근 한 논문에서는 현재 재활용 방식이 과거 제공되지 않은 활성 양극재를 제공하는 방법을 집중적으로 소개했습니다.

직접 재활용을 위한 새로운 접근 방식:

최근 Zheng Liang, Guangmin Zhou, Hui-Ming Cheng과 동료들이 Journal of the American Chemical Society에서 직접 재활용 기법 중 하나를 소개했습니다. 요오드화 리튬(LiI)과 수산화 리튬(LiOH)을 공융 조합하면 소금만 사용하는 것보다 낮은 온도인 200°C 미만에서 녹습니다. 결과적으로 이 조합은 접근이 보다 용이한 온도에서 액체가 됩니다.

복구된 소재에서 제조된 배터리의 용량은 완전히 복원되지 않았지만 200°C에서 3시간 동안 공융 혼합으로 연속 가열한 다음 850°C로 2시간 가열한 후에는 복원되었습니다. 그러나 Co₂O₃와 MnO₂을 공융 혼합물에 추가하자 2단계 프로세스로 NMC523이 복원되었습니다. 이 물질은 새로 생성된 물질과 유사한 결정 구조와 특성을 갖습니다.

이 접근 방식은 리튬 이온 배터리 양극을 완벽하게 복구하면서 새로 만드는 것보다 에너지와 자원을 적게 사용할 수 있습니다. 다 쓴 배터리 물질을 적은 비용으로 완전하게 되돌릴 수 있다면 비용이 많이 드는 다른 기법으로 만든 금속 또는 금속 산화물보다 훨씬 큰 마진으로 판매할 수 있습니다.

과제

그러나 Liang과 동료들이 개발한 접근법에도 해결해야 할 과제는 있습니다. 배터리를 분해한 후 재조립하는 과정이 필요하기 때문입니다. 배터리 설계와 양극 구성의 통일성 부족과 복잡성은 일반적으로 배터리 재활용의 장애물이 됩니다. 건식 제련으로 다양한 유형의 배터리를 처리할 수 있지만 직접 재활용과 습식 제련 방식은 서로 다른 배터리 유형 분류와 안전한 배터리 분해가 필수적입니다. 직접 재활용의 실용성을 확보하기 위해서는 배터리 구성과 설계를 규정하고 부호화해야 합니다. 공통 배터리 설계를 적용하면 분해가 더 간단해지지만 리튬 이온 배터리의 응용 범위를 고려하면 가능성이 크지 않습니다.

전망

잠재적으로 수요가 주요 금속의 공급을 초과하게 될 것이라는 점에서 리튬 이온 배터리에 대한 중대한 변곡점이 존재하므로 재활용이 이 격차를 해소하는 데 중요한 역할을 해야 합니다. 자원 보존, 환경 영향, 비용 효율성은 미래 혁신을 가속화하기 위한 주요 동인이 될 것입니다.

이 최근 연구는 리튬 이온 배터리 재생과 직접 재활용에 대한 상업적 접근 방식을 제시하지는 않지만 실제 구현이 기술적으로 가능함을 보여줍니다. 이 접근법은 열수 기법이 아닌 공융 시스템을 사용한다는 점에서 이전 직접 재활용 방법과 다릅니다. 상업적으로 유용한 직접 재활용 기법은 리튬 이온 배터리 부품 공급의 안전성을 높이고 에너지 저장을 위한 액체 연료 대안으로서 그 지속 가능성에 기여할 것이며 인간의 CO₂ 배출을 낮춰 기후 변화를 완화하는 데 크게 기여할 것입니다. 리튬 이온 배터리 재활용에 대한 새로운 트렌드를 최신 CAS 보고서에서 알아보십시오.

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