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휴대폰, 노트북, 그리고 점점 더 많은 전기 자동차에서 나오는 폐리튬 이온 배터리가 쌓이고 있지만, 재활용 방법은 여전히 ​​소각이나 화학적 용해에 국한되어 있습니다. 현재의 재활용 방법은 환경 문제를 야기할 수 있으며, 산업적 규모로 경제적으로 생산하기 어렵습니다.
기존 공정에서는 일부 배터리 소재를 재활용하고 가성 알칼리, 무기산, 그리고 불순물을 유발할 수 있는 유해 화학 물질을 사용합니다. 중요 금속을 추출하려면 복잡한 분리 및 침전 공정도 필요합니다. 그러나 코발트나 리튬과 같은 금속을 재활용하면 오염, 해외 자원 의존도, 공급망 막힘을 줄일 수 있습니다.
미국 에너지부 오크리지 국립연구소 연구원들은 배터리를 액체 용액에 용해하여 공정에 사용되는 유해 화학물질의 양을 줄이는 방법을 개발했습니다. 이 연구는 에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials) 저널에 게재되었습니다.
ORNL 연구진이 개발한 간단하고 효과적이며 환경 친화적인 솔루션은 기존 방법에서 발생했던 주요 장애물을 극복합니다.
사용한 배터리는 페인트나 화장품과 같은 소비재에 흔히 사용되는 부동액인 에틸렌 글리콜에 녹인 유기 구연산(감귤류에 자연적으로 존재) 용액에 담가둡니다. 구연산은 지속 가능한 자원에서 생산되며 무기산보다 취급이 안전합니다. 이 친환경 용액은 배터리의 양전하 전극(음극)에서 금속을 분리하고 재활용하는 매우 효율적인 공정을 제공합니다.
ORNL 배터리 연구팀의 야오카이 바이는 "양극은 중요한 소재를 포함하고 있기 때문에 배터리에서 가장 비싼 부품으로, 전체 비용의 30% 이상을 차지합니다."라고 말했습니다. "이 접근 방식은 시간이 지남에 따라 배터리 비용을 절감할 수 있을 것입니다." 이 연구는 미국 최대 규모의 야외 배터리 연구개발 시설인 오크리지 국립연구소의 배터리 제조 시설에서 수행되었습니다.
이곳에서 개발된 처리 기술을 통해 시스템에 불순물을 유입시키지 않고도 양극에서 코발트와 리튬을 거의 100% 용출할 수 있습니다. 또한 금속 용액을 다른 잔류물로부터 효과적으로 분리할 수 있습니다. 무엇보다도, 이 기술의 부가적인 기능은 산도 조절을 위한 복잡한 수동 공정인 화학 물질 추가 없이 몇 시간 내에 코발트의 96% 이상을 회수할 수 있다는 것입니다.
"단일 용액 시스템이 침출 및 처리 기능을 모두 갖춘 것은 이번이 처음입니다."라고 수석 연구원 루 위는 말했습니다. "코발트가 추가적인 교란 없이 침전되고 침전되는 것을 발견한 것은 흥미로웠습니다. 예상치 못한 일이었습니다."
추가적인 화학 물질 사용이 필요 없게 됨으로써 비용이 절감되고 부산물이나 2차 폐기물 발생도 방지됩니다. 오크리지 국립연구소의 기업 연구원이자 전기화 부서 책임자인 일리아스 벨하루아크는 "우리 과학자들이 개발한 이 재활용 공정이 핵심 배터리 소재의 더욱 광범위한 재활용을 위한 길을 열어줄 수 있어 매우 기쁩니다."라고 말했습니다.
바이는 구연산과 에틸렌글리콜의 용출 특성은 이전에도 연구되었지만, 이 방법은 더 많은 산과 낮은 온도를 사용했으며 덜 효과적이었다고 말했습니다.
"용액에서 얼마나 빨리 나오는지 놀랐습니다."라고 바이는 말했다. "유기산은 보통 10시간에서 12시간이 걸리지만, 이번에는 한 시간밖에 걸리지 않았습니다." 무기산을 사용하는 기존 용액은 물을 포함하고 있는데, 이 물의 끓는점이 반응 온도를 제한하기 때문에 속도가 더 느립니다.
추가 정보: Lu Yu 외, 단순화된 양극 재활용을 위한 효율적인 분리 및 공침, Energy Storage Materials (2023). DOI: 10.1016/j.ensm.2023.103025
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