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- 플래시 가열을 통해 배터리에서 금속 원료를 효율적이고 환경친화적으로 회수
- 사용한 배터리에서 모든 금속의 98%를 20분 이내에 회수
- 강한 용매가 필요하지 않고 소량의 산(酸)만 필요해 공정도 환경친화적

배터리를 더 빠르게 재활용할 수 있는 방법
플래시 가열을 통해 배터리에서 금속 원료를 효율적이고 환경친화적으로 회수할 수 있다.

오래된 배터리의 귀중한 금속 원료를 미래에는 더 빠르고, 더 쉽고, 더 환경친화적으로 회수할 수 있다. 이는 모든 유기 구성 요소를 탄화시키고 복합재에서 금속을 용해시키는 짧고 강렬한 가열인 "플래시 줄 가열(Flash Joule Heating)" 덕분에 가능하다. 초기 테스트에서 팀은 사용한 배터리에서 모든 금속의 98%를 20분 이내에 회수했다. 강한 용매가 필요하지 않고 소량의 산(酸)만 필요해 공정도 환경친화적이다. 

▲ 현재까지 사용된 배터리와 축전지 중 극히 일부만이 재활용되었으며 그 결과 귀중한 금속 원료가 손실되었다. pixabay

리튬 이온 배터리 또는 기타 배터리 여부:
모바일 에너지원에는 리튬, 코발트 또는 희토류와 같은 귀중한 금속 원료가 포함되어 있으며 일반적으로 수명이 끝나면 사용하지 않고 손실된다. 나머지 전자 폐기물과 마찬가지로 사용한 배터리를 재활용하는 데에도 문제가 있다. 그 이유 중 하나는 배터리 재활용이 복잡하고 시간이 오래 걸리며 환경에 유해한 용제와 표백제가 필요하다는 것이다.

긴 분리 대신 전력 서지

그러나 이제 상황은 바뀔 수 있다. 텍사스 라이스 대학의 웨이인 첸(Weiyin Chen)이 이끄는 미국 연구진은 배터리를 더 빠르고 효율적으로 재활용하는 방법을 개발했다. 그 기반은 몇 년 전 개발된 'Flash Joule Heating'이다. 이러한 전기 번개 가열의 경우, 미세하게 분쇄된 시작 물질(이 경우 배터리)은 일부 구리 울과 함께 얇은 석영 튜브에 채워진다.

▲ 플래시 줄 가열을 사용한 배터리 재활용: 오래된 배터리는 전력 서지를 사용하여 분쇄되고 가열된다. 이는 금속을 더 쉽게 용해되는 금속 산화물과 원소 금속으로 변환한다. © Tour lab/Rice University

그런 다음 실제 "플래시 가열"이 발생한다. 단 110ms(밀리초) 동안 지속되는 약 80V의 전류 펄스가 두 개의 흑연 전극을 통해 재료에 전송된다. 이렇게 하면 분말이 거의 2,000도까지 가열된다. “강렬한 열은 재료의 구조를 파괴하고 배터리 금속을 단순한 금속 산화물과 원소 금속으로 환원시키기에 충분하다”고 팀은 설명했다. 전해질과 고체 경계상도 분해된다.

▲ 검은 덩어리에서 산성 추출 가능한 배터리 금속. (출처:관련논문 Battery metal recycling by flash Joule heating)

리튬, 코발트 수율 98%

이 오믹 번개 가열의 결과는 연구원들이 부르는 것처럼 거의 순수한 금속과 단순한 금속 산화물로 만들어진 "활성화된 물질"이다. Chen은 "저농도 염산을 사용하면 이 '번쩍이는' 검은 덩어리에서 원하는 금속을 쉽게 추출할 수 있다"고 말했다. 전통적인 습식 야금법에 비해 훨씬 적은 양의 염산이 필요하지만 용해 과정은 수천 배 더 빠르다.

Chen은 “덩어리에서 금속을 추출하는 데 보통 24시간이 걸리던 것이 20분도 채 걸리지 않는다”고 말했다. 7가지 서로 다른 배터리 구성을 사용한 테스트에서 연구원들은 플래시 가열 방법을 사용해 포함된 리튬과 전이 금속의 약 98%를 회수할 수 있었다. “배터리 금속의 수율은 혼합물에 존재하는 전해질과 염 잔류물에 의해 거의 영향을 받지 않았다”고 팀은 말했다.

▲ FJH 활성화 흑색 덩어리의 미세 특성 분석. (A) FJH 활성화 BM-1의 HR-TEM. 스케일 바, 5nm. (B) FJH 활성화 BM-1의 TEM 이미지. 스케일 바, 100nm. (C) 2500K에서 9ns 모의 어닐링이 끝날 때 부분적으로 흑연화 비정질 탄소 구조에 침투하는 Li+. 여기서 녹색 선은 계산된 Li+ 궤적을 나타낸다. (D) FJH 활성화 BM-1의 2차 입자에 대한 미세 규모 형태 및 해당 요소 분포. 스케일 바(원소 매핑 결과), 2μm. (E) FJH 활성화 BM-1의 1차 입자의 나노규모 형태 및 해당 원소 분포. 스케일 바(원소 매핑 결과), 10 nm. (출처: 관련논문 Battery metal recycling by flash Joule heating / Science Advances /27 Sep 2023 Vol 9, Issue 39)

환경 균형 및 비용 측면에서 장점

과학자들은 또한 이 방법이 환경에 미치는 영향과 비용이 어느 정도인지도 알아냈다. 이에 따르면 플래시 줄 가열을 이용한 배터리 재활용은 일반적인 습식 야금법에 비해 물은 26%, 염산은 87%, 에너지는 15% 적게 사용한다. 온실가스 배출량은 23% 더 낮다. 팀에 따르면 건식야금 공정에 비해 비슷한 장점이 있다고 한다. 이 과정에서 배터리 잔여물은 여러 단계를 거쳐 오븐에서 녹인 후 용해된다.

▲ FJH 활성화 재활용 프로세스의 경제 및 환경 분석. (A~C) 다양한 폐 리튬 이온 배터리 재활용 경로의 프로세스 흐름도로서 고려된 모든 입력 및 출력을 포함한 수명 주기 목록을 표시. 부수적인 입력 및 출력은 명시적인 입력 및 출력과 구별하기 위해 파란색 글꼴로 표시. (A) 습식제련법. (B) 건식야금법. (C) FJH 활성화 재활용 방법. (D) 폐배터리 1kg을 처리할 때 12M HCl 소비량이 집중되었다. (E~H) 폐배터리 1kg을 처리한 후 침출수에서 약 0.35kg의 양극재를 생산할 때의 물 소비량, 에너지 소비량, 온실가스 배출 및 비용 분석. 순수 광석을 채굴하여 동일한 양의 양극재를 생산하는 효과를 비교용으로 표시하며 “Virgin”이라고 표시. 수력, 습식 야금법; 파이로(Pyro), 건식야금법; FJH, 플래시 줄 가열 활성화 재활용 방법.(출처:관련논문 Battery metal recycling by flash Joule heating / Science Advances /27 Sep 2023 Vol 9, Issue 39)

“수명주기 분석에 따르면 플래시 줄 가열은 기존 방법에 비해 배터리 재활용의 환경적 영향을 크게 줄이는 것으로 나타났다”며 "동시에 재활용은 경제적으로 매력적인 과정입니다"고 썼다. 플래시 가열을 사용하여 사용한 배터리 1kg을 재활용하는 데 드는 비용은 일반적인 용액 공정보다 49%, 오븐 방법보다 28% 저렴하다.

▲ 채광, 습식 야금 및 건식 야금 재활용, 플래시 가열 재활용을 통한 금속 추출 비교. © Chen 외./Science Advances, CC-by-nc 4.0

순환을 통한 원료 절약의 기회

따라서 Chen과 그의 동료들은 그들의 프로세스가 전자 폐기물과 배터리의 재활용을 발전시키는 유망한 방법이라고 보고 있다. 이는 또한 배터리 원자재, 특히 리튬과 코발트의 부족을 줄일 수도 있다. 예측에 따르면 가까운 미래에 전기 자동차에 대한 수요는 이러한 원자재의 공급보다 더 높아질 것이다.
연구팀은 “리튬이온 배터리 원자재의 폐쇄 루프는 새로운 배터리 금속 채굴의 필요성을 줄이고 배터리 폐기로 인한 환경 영향을 줄이며 재활용에 대한 경제적 인센티브를 제공한다”고 말했다.
(Science Advance, 2023; doi: 10.1126/sciadv.adh5131)
출처: Rice University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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