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

폐리튬이온배터리 재활용 시장은 급격하게 성장하고 있으나 관련 공정 및 취급 물질의 위험성에 대한 정보 부족 등 여러 원인으로 관련 사고가 지속적으로 발생하고 있다. 이에 본 연구에서는 폐리튬이온배터리 재활용 공정의 사고를 예방하기 위해서 배터리 자체의 위험요인 및 구성물질의 위험요인, 블랙매스의 위험요인, 재활용 공정 취급 물질의 위험요인을 조사하였다. 이를 바탕으로 폐리튬이온배터리 재활용 공정의 화재·폭발 위험요인을 전처리 공정(방전, 분해, 열처리, 파·분쇄 및 분리)과 습식제련 공정으로 구분하여 조사·분석하고, 공정과 설비 및 관리적 측면의 구체적인 안전관리방안을 제시하였다. 폐리튬이온배터리 재활용 공정의 안전 확보를 위해서는 개별 공정의 위험요인에 대한 단편적인 방호대책도 중요하지만, 공정 간 위험의 전이와 상호작용을 고려한 통합적인 관리가 필요한 것으로 나타났다. 나아가, 지속적인 기술 개발 및 공정 변화에 대응하기 위해 사고 분석, 물질 유해성, 안전 기준, 비상 대응, 지속 가능한 안전 확보 관점에서의 향후 과제를 제시하였다.

아연 함유 산업부산물은 전기로 분진, 아연 소광 분진, 아연 제련 잔사 등 다양한 형태로 발생하며, 아연과 철이 복합 상으로 공존하여 습식 침출 거동이 복잡하게 나타난다. 특히 자유 산화아연은 비교적 빠르게 용해되는 반면, 아연페라이트는 대표적인 난용상으로 작용하여 전체 반응속도와 지배 단계를 결정하는 핵심 인자이다. 본 논문은 아연 함유 산업부산물의 습식 침출 반응속도론 연구를 대상으로, 시료 특성, 용액계, 반응 메커니즘, 수축핵 모델 및 확장 모델의 적용 사례를 체계적으로 정리하고, 활성화에너지와 반응차수 해석의 한계를 비판적으로 고찰하였다. 문헌 분석 결과, 산성 침출계에서는 표면 화학 반응 지배, 생성층 확산 지배, 혼합 지배가 모두 보고되었으며, 이는 시료 내 산화아연과 아연페라이트의 상대적 분율, 철의 재침전, 생성층 형성 여부에 크게 좌우된다. 알칼리 침출계는 자유 산화아연의 선택적 용출에 유리하지만 페라이트 우세 분율이 잔류하여 전체 반응이 조기에 정체되는 경우가 많았고, 최근에는 유기산·초음파·전처리 연계 공정을 포함한 복합 시스템에서 혼합 지배 해석이 증가하는 경향을 보였다. 또한 산업부산물은 다상성, 다공성, 응집성 및 입도 분포의 비이상성 때문에 단일 수축핵 모델식만으로 해석하기 어려우며, 비선형 회귀, 잔차 분석, 상 분석, 시간 분해 잔사 분석을 결합한 다면적 접근이 필요함을 확인하였다. 향후에는 상 기반 메커니즘 규명, 실시간 구조 분석, 다중 메커니즘 모델, 데이터 기반 예측 및 반응기 스케일업과 연계된 통합 연구가 필요하다.

본 연구에서는 ⍺-스포듀민 정광으로부터 리튬을 휘발분리하기 위한 속도론적 연구가 수행되었다. 열역학적 분석은 염화칼슘이 ⍺-스포듀민 정광으로부터 리튬을 염화리튬으로 전환하여 리튬을 휘발 분리할 수 있는 적절한 염임을 보였다. 염화칼슘을 사용하여 염화배소를 통한 ⍺-스포듀민 정광에 함유된 리튬의 휘발분리 실험은 반응 온도 1,000 ℃~1,180 ℃ 범위에서 수행되었다. 얻어진 속도 데이터는 핵생성 및 성장 모델(Nucleation and growth model)에 비교적 잘 일치하는 것으로 분석되었다. 또한, 1,180 ℃, 반응시간 90분에서 ⍺-스포듀민 정광에 함유된 리튬의 휘발분리율이 80% 이상 이었다. 반응의 활성화 에너지는 반응 온도 1,000 ℃~1,180 ℃ 범위에서 107.2 kJ/mol이었다.

아연 함유 부산물은 다양한 형태의 아연 화합물로 존재하고 있으며, 이로부터 아연의 침출 및 분리를 위한 연구가 수행되고 있다. 특히 난용성인 아연 페라이트의 함량에 따라 아연 함유 부산물로부터 아연의 침출 및 분리 효율의 차이가 발생한다. 이에 아연을 최대한 회수하기 위해서 아연 페라이트로부터 아연 및 철의 침출 거동을 파악하는 연구가 필수적이다. 이에 본 연구에서는 아연 페라이트 시약을 활용하여 옥살산으로부터 반응 온도 및 시간에 따른 아연 및 철 성분의 침출율을 확인하고 회수된 잔사의 특성을 평가하고자 하였다. 최종적으로 반응 온도 100℃, 반응 시간 160분에서 철의 침출율은 약 99% 그리고 아연은 미량 침출되어 선택적 침출이 가능함을 확인하였다. 침출 후 회수된 침출 잔사의 경우 ZnC₂O₄ 결정상으로 확인되었으며, XRF 분석에서도 아연이 주성분으로 철 성분의 비율이 감소하였다. 또한, FE-SEM 분석 결과 회수된 침출 잔사는 전형적인 각진 옥살레이트 형상임을 확인하였다. 최종적으로 아연 페라이트로부터 아연은 고상, 철은 액상으로 선택적으로 분리 및 회수할 수 있었으며, 향후 아연 페라이트 분말이 함유된 아연 부산물로부터 아연 및 철 성분의 분리 및 회수에 관한 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

전기자동차 및 에너지저장장치의 보급 확대에 따라 폐리튬이온배터리의 안전한 처리와 자원 회수가 중요해지고 있다. 본 연구에서는 폐배터리 해체 및 전처리 과정에서 수집된 폐전해액으로부터 유기용매와 유가성분을 회수하기 위한 기초 정제 공정을 검토하였다. 폐전해액 혼합물을 감압 여과하여 여과잔사, 응축액 및 여과액으로 분리하였으며, 응축액에서 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC)와 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC)를 일부 회수하였다. 여과 잔사는 후속 금속 회수 공정의 원료로 활용하고, 여과액은 디클로로메탄(dichloromethane, DCM)을 이용한 용매추출로 유기성분을 분리하였다. 본 연구 결과는 감압 여과와 용매추출을 연계한 폐전해액 구성성분 회수 공정의 적용 가능성을 제시한다.

전이금속 탄질화물(Transition Metal Carbonitrides, TMCNs)은 Ti, V, Cr, Mo, W 등의 전이금속과 탄소/질소가 결합한 화합물로, 세라믹의 높은 내열·내마모성과 금속의 전기전도성을 동시에 나타내는 것이 큰 특징이다. 일반적으로 전이금속 탄질화물 합성은 질소 분위기에서의 전이금속과 탄소의 반응, 즉, 탄화 및 질화 반응에 의해 이루어지는데 이 과정에서 탄소는 정제된 원료를 사용해야만 탄질화물 내 산소량 및 불순물 함량을 낮출 수 있다. 본 연구에서는 청록수소 탄소 부산물을 원료로 사용한 고순도 전이금속 탄질화물 합성을 위해 탄소 원료 전처리 및 탄질화물 합성공정을 최적화하였다. 청록수소 탄소 부산물 내 금속 불순물은 산 세정에 의해 제거하고 열처리 과정을 통해 원료 내 산소량을 저감하여 탄화물 합성에 사용하였고 기존 상용 원료(흑연, 카본블랙, 활성탄, 코크스) 특성과 비교 평가하여 탄화물 원료 적용 가능성을 확인하였다. 또한, 합성된 탄질화물 내 탄소/질소(C/N) 비율 변화는 열분석과 열역학적 해석을 통해 분석하여 탄질화물 내 C/N 비율 조정을 위한 공정 설계 방법을 제시하고자 하였다.

폐배터리 재활용을 위한 기계적 전처리 공정에서는 파쇄, 분쇄 및 체질을 통해 블랙매스가 우선적으로 회수되며, 이후 발생하는 조립 부산물에는 구리, 알루미늄, 분리막 등 유가 자원이 다량 잔존한다. 그러나 열처리를 거치지 않은 전처리 부산물은 구성 성분 간 단체분리가 충분하지 않아, 기존 물리적 선별 공정만으로는 효율적인 회수에 한계가 있다. 본 연구에서는 폐배터리 기계적 전처리 공정 부산물로부터 구리를 선택적으로 회수하기 위해, 입자의 밀도, 형상 및 공기역학적 거동 차이를 이용하는 수직형 기류선별기의 적용 가능성을 평가하였다. 선별에 앞서 SEM-EDS 분석을 통해 부산물 내 구성 성분의 존재 형태를 분석한 결과, 구리 집전체는 음극활물질이 대부분 탈착된 박막 형태로 존재한 반면, 알루미늄 집전체는 양극활물질이 강하게 부착된 미단체분리 상태로 존재하여 겉보기 질량이 증가한 것을 확인하였다. 이러한 형상 및 질량 차이를 반영한 입자 거동 시뮬레이션 결과, 입자를 부상시키기 위한 임계 공기 유속은 분리막, 구리, 알루미늄–양극재 복합체 순으로 증가하였으며, 입자 크기가 작아질수록 구리와 알루미늄 간 공기역학적 거동 차이는 감소하는 것으로 나타났다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 수직형 기류선별기를 이용한 비중선별 실험을 수행한 결과, 미립 구간 (+355–500 μm)보다 조립 구간 (+1000–1400 μm)에서 구리와 알루미늄–양극재 복합체 간 거동 차이가 뚜렷하게 나타났으며, 이에 따라 상대적으로 높은 구리 선별 효율을 달성하였다. 본 연구는 열처리를 거치지 않은 폐배터리 기계적 전처리 부산물에서 구리, 알루미늄 및 분리막의 공기역학적 거동 차이를 기반으로 한 물리적 분리 가능성을 제시하며, 기존에 혼합 폐기되거나 일괄 처리되던 전처리 부산물의 유가자원 회수 공정으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.