Resources Recycling ISSN:2765-3439(Print) 2765-3447(Online) 자원리싸이클링

본 논문은 층상 구조 리튬이온전지 양극재인 LiCoO₂(LCO)와 LiNi_xCo_yMn_zO₂(NCM)의 산 침출 반응을 반응 속도론의 관점에서 비교 고찰하였다. 관련 문헌을 체계적으로 검토하여 수축핵 모델(SCM), 아브라미 모델, 혼합 지배 모델의 적용 사례와 활성화 에너지, 속도 결정 단계를 분석하였다. LCO는 단일 전이금속계로서 비교적 균일한 결합 환경을 가지므로 표면 화학 반응 지배가 우세하게 나타나는 경향을 보였으며, 환원제 첨가 여부에 따라 코발트 용출의 활성화 에너지 장벽이 감소하고, 표면 생성물층에 의한 확산 저항 거동이 유의미하게 변화함을 확인하였다. 반면 NCM은 리튬이 선행 용출되고 전이금속이 후속 용출되는 불일치 용출 거동(Incongruent dissolution)을 보였다. 또한, 복합적인 조성과 침출 중 발생하는 표면 잔사층으로 인해 침출 조건에 따라 속도 결정 단계가 화학 반응 지배에서 확산 또는 혼합 지배로 전이되는 현상을 나타냈다. 특히 활성화 에너지와 금속별 용출 거동의 분리 해석은 LCO와 NCM의 본질적 차이를 이해하는 핵심 지표로 확인되었다. 따라서 층상 양극재 침출 공정은 최종 침출효율뿐 아니라 구조-조성-속도 상관관계와 속도 결정 단계 변화를 함께 고려하여 설계되어야 한다.

에너지 전환과 첨단 제조산업의 확대로 핵심 원자재의 안정적 조달이 중요해지면서, 몰리브데넘(Mo)은 공급망 관리의 주요 대상으로 주목받고 있다. 본 논문은 몰리브데넘 공급망 취약성을 수요 조건, 중류 전환 공정, 제품 형태별 시장 분절, 2차 공급의 조건부 작동 관점에서 검토하였다. 몰리브데넘은 제품 성능, 설비 신뢰성, 공정 안정성과 연결되어 사용되므로, 대체가 가능하더라도 규격 변경, 품질보증, 재검증, 운전 조건 조정이 필요해 단기 전환이 어렵다. 또한 정광은 배소·정련을 거쳐 산화몰리브데넘(MoO₃)으로 전환되고, 이후 페로몰리브데넘(FeMo), 금속, 화학·촉매 제품으로 다시 전환되어야 가용 공급력이 형성된다. 2025년 상위 5개국이 세계 광산 생산의 90%를 차지하며, 주요 생산국 다수는 구리 광산 부산물 생산에 의존한다. 또한 1994–2025년 미국 평균 MoO₃ 가격은 세계 광산 생산량의 장기 확대 속에서도 주요 상승 구간을 보였고, 2021년 이후 상승은 생산량 감소 국면과 맞물려 나타났다는 점에서, 총량 지표만으로 공급 안정성을 설명하기 어렵다는 점을 시사한다. 2차 공급은 사용후 촉매와 금속 스크랩 등을 통해 가용 공급력을 보완할 수 있으나, 원료 품질, 회수·정련 비용, 공정 선택성, 규제·가격 조건에 따라 효과가 달라진다. 따라서 몰리브데넘 공급망 평가는 정광 생산량 중심의 총량 지표를 넘어, 전환 역량, 제품 형태별 병목, 조달 구조와 2차 공급 조건을 함께 반영할 필요가 있다.

본 연구에서는 폐 PCB 함유 금과 은을 Cu로 건식 포집한 경우를 모사한 Cu–Sn–Fe–Ag–Au 합금의 전해침출 시 양극슬라임으로의 귀금속 농축율을 조사하였다. 1 mol/L 황산용액에서 합금 성분금속의 전극전위를 높일때 구리와 철은 용액 온도가 높아짐에 따라 산화전류가 증가한 반면, 주석은 반대의 경향을 보였다. Cu–16.8Sn–0.3Au–0.8Ag 조성의 합금을 사용하여 1 mol/L 황산용액, 60 ℃, 인가전류 25 mA/cm²의 조건에서 정전류 전해침출을 실시한 결과 Sn 68.18 %, Cu 24.17 %, Ag 5.04 %, Au 0.78 %, O 1.46 % 조성의 양극슬라임을 얻었으며, 귀금속은 모두 양극슬라임으로 분배되었고 원시료 대비 귀금속 농축율은 약 440 %로 계산되었다. 합금 내 주석 함량을 낮추고 이를 철로 대체했을때 양극슬라임으로의 귀금속 분배율은 차이가 없었으나 생성되는 양극슬라임량이 줄어들면서 상대적으로 농축율은 높아졌다. 주석의 함량을 16.8 %에서 6.6 %로 낮추고 철의 함량을 높인 경우 용해된 합금량 대비 양극슬라임 생성량은 21.2 %에서 11.7 %로 낮아졌고 이에따라 귀금속 농축율은 약 800 %로 높아졌다.

본 연구에서는 도금 공정에서 발생하는 니켈 함유 슬러지로부터 고순도 황산니켈 제조를 위한 전처리·정제 공정으로 황산 침출-세멘테이션-중화침전의 3단계 공정을 평가하였다. 황산 침출 단계에서는 고액비 25 w/v% 조건에서 황산 1-2 M을 적용할 경우 Ni, Cu, Cr이 15분 이내에 99% 이상 신속히 용출된 반면, 0.5 M에서는 용출률이 낮았다. 여과성은 황산 1.2 M 이상에서 유의하게 개선되었으며, 고액비 10-25 w/v% 범위에서 완전 용해가 확인된 반면, 50 w/v% 이상에서는 슬러리 점도 상승에 따른 교반 효율 저하 및 침출율 감소가 관찰되었다. 침출액 내 Cu 제거를 위한 세멘테이션 공정에서는 환원제 종류 비교(Fe, FeO, FeSO₄·7H₂O) 결과 금속 Fe 분말이 가장 선택적이고 효과적인 환원제로 확인되었다. Fe/Cu 투입량 150 wt%, 80 ℃, 90 min 조건에서 잔류 Cu를 1 mg/L 이하로 저감하면서 Ni 손실을 약 3% 수준으로 억제할 수 있었으며, 반응시간 90분 초과 시 Ni 침전이 관찰되었다. Cr 제거를 위한 중화침전 공정에서는 중화제(NaOH, CaCO₃)를 비교한 결과, CaCO₃가 완충작용을 통해 pH 상승을 완만하게 유도함으로써 NaOH 대비 Ni 공침을 현저히 억제하면서 Cr을 선택적으로 제거하는 데 우수한 성능을 보였다. CaCO₃를 중화제로 적용하여 pH 4, 50 ℃, 180 분 조건에서 크롬 회수율 99% 이상, Ni 손실 1% 미만을 달성하였다.

리튬이온배터리(lithium-ion batteries, LIBs)의 수요 증가에 따라 폐LIBs 중 유가금속을 회수하기 위한 효율적인 리사이클링 공정 개발이 필요하다. 본 연구에 사용한 시료는 NCM계 블랙매스(Black mass, B/M) 분말로, 양극재 및 음극재(C), 그리고 소량의 불순물(Al) 등으로 구성된다. 본 연구는 B/M 중의 Li을 선택적으로 분리 및 회수하기 위한 기초 연구로서, CO₂ 분위기 (500~1,000 ℃, pCO2=0.1~0.5 atm)에서 열중량 분석 및 배가스 농도 분석을 통해 양극재의 환원 거동을 조사하였다. 실험 결과, 전 온도 및 분압 조건에서 Li₂CO₃가 형성되었다. 약 730 ℃, pCO2=0.5 atm 조건에서 최대 99.4 %의 높은 회수율을 보였으나, 약 800 ℃ 이상에서는 불순물인 Al과 일부 Li₂CO₃의 반응으로 불용성 LiAlO₂가 형성되어 회수율이 점차 감소하였다. 약 860 ℃ 이상에서는 부도아 반응(Boudouard reaction)에 의해 CO 가스가 급격히 발생하였고, 동시에 Ni, Co 산화물이 CO 및 잔류 C에 의해 환원되어 시료의 무게가 급격히 감소하는 거동을 확인하였다. 또한, CO₂ 분압의 증가는 부도아 반응의 속도를 가속화하였으나, 최종 환원 정도에는 큰 영향을 미치지 못하였다. 결과적으로, 본 연구는 Li 회수 효율 극대화를 위해 정밀한 배소 온도 제어 및 Al 불순물을 제거하는 전처리 공정의 필요성을 시사한다.

리튬이온전지(Lithium-ion batteries, LIBs)는 전기자동차와 에너지저장장치 시장의 확대로 인해 그 사용량과 재활용 필요성이 증가하고 있다. LiNi_xCo_yMn_1−x−yO₂(NCM)은 대표적인 양극활물질의 일종이며, 해당 소재에 대한 탄소환원 기반 건식제련 공정에 대한 다수의 연구들이 이루어지고 있다. 그러나 해당 공정에서 생산된 Ni–Co 합금의 회수 및 고순도화에 관한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 본 연구에서는 NCM계 LIB의 탄소환원 건식제련 회수체를 대상으로 황산 기반 선택 침출을 수행하여 Ni-Co의 고순도화 공정을 개발하였다. 회수체는 주로 Ni-Co, MnO 및 LiAlO₂로 구성되어 있으며, 황산 농도(1~7wt%) 및 침출 시간(0.5, 1, 2h)에 따른 원소별 침출 거동을 평가하였다. 그 결과, Mn은 모든 조건에서 95% 이상의 침출률을 나타내었으며, Li은 황산 농도 및 침출 시간의 증가에 따라 최대 94.75%의 침출률을 나타냈다. 반면, Ni 및 Co의 침출률은 모든 조건에서 11% 이하로 유지되어 MnO 및 LiAlO₂의 선택적 제거가 가능함을 확인하였다. 침출 후 잔사에 대해 Ni-Co의 순도와 회수율을 평가한 결과, 3wt% 황산 및 1h 침출 조건에서 각각 86.99%와 95.50%를 나타내어 최적 조건으로 도출되었다. 본 연구에서 제안한 공정을 통해 폐배터리 건식제련 공정의 경제성 향상 및 산업적 활용 확대에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 초임계 방법으로 회수된 탄산리튬(Li₂CO₃)을 출발물질로 사용하여 수산화리튬 수화물(LiOH·H₂O) 및 무수 수산화리튬 (LiOH)을 제조하는 공정을 연구하였다. 증발 결정화법과 항용매 결정화법을 비교하여 결정상, 입자 형상, 불순물 제거 효과 및 열처리 후 상 변화를 분석하였다. 증발 결정화법으로 제조된 시료에서는 LiOH·H₂O와 함께 Li₂CO₃ 및 LiOH 관련 피크가 관찰되어, 결정화 과정 중 CO₂ 재흡수에 의한 탄산화 및 혼합상 형성 가능성이 확인되었다. 반면, 항용매 결정화법으로 제조된 시료에서는 주로 LiOH·H₂O 단일상이 확인되었으며, 탄산염 관련 피크가 뚜렷하게 나타나지 않았다. 이는 항용매 결정화법이 증발 결정화 과정에서 발생할 수 있는 Li₂CO₃ 재형성 문제를 완화할 수 있는 대안적 공정으로 활용될 가능성을 보여준다. 또한 항용매 주입 속도에 따라 입자 크기와 형상이 변화하였으며, 열처리를 통해 LiOH·H₂O가 무수 LiOH로 전환됨을 확인하였다. ICP-OES 분석 결과, Fe, Na, Si 등 주요 불순물의 함량이 감소하였고, 항용매 결정화법을 통해 약 76.5%의 수율을 확보하였다. 본 연구는 회수 Li₂CO₃으로부터 배터리용 LiOH를 제조하는 과정에서 항용매 결정화 공정이 탄산화 억제, 입자 형상 제어 및 상 전환 유도에 효과적으로 활용될 수 있음을 보여준다. 이러한 결과는 회수 탄산리튬 기반 배터리용 수산화리튬 제조 공정의 설계 및 품질 제어를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.