Resource: Lee, Chaehyeon, Jin Soo Kang, and Eunhyea Chung. “Selective Leaching and Electrochemical Recovery of Lithium and Nickel from Spent Lithium-Ion Batteries.” ACS ES&T Engineering 2025, 5, 2316-2323
Resource: Kim, Seoni, et al. “Carbon‐Coated Silver Nanoparticles for Highly Robust Chloride Capture in Electrochemical Desalination and Lithium Recovery.” ChemSusChem 2025, 18, e202500267
배터리 재활용을 위한 전기화학적 금속 자원 회수 기술 개발
연구팀은 폐배터리 블랙매스(black mass)로부터 핵심 광물로 분류되는 리튬(Li)과 니켈(Ni)을 고순도로 분리·회수하는 전기화학 자원 회수 시스템을 개발하였다. 먼저 삼원계 배터리 양극 폐기물 기반의 블랙매스로부터 금속을 선택적으로 침출시킬 수 있는 조건을 탐색하였다. 산 용액의 종류·농도와 고형분 비율(S/L ratio)을 최적화하여 리튬과 니켈이 효과적으로 용출될 수 있도록 하였는데, 특히 코발트 대비 니켈의 용출 선택성을 극대화할 수 있는 조건을 확보하였다. 이후 침출수로부터 금속 자원을 회수하기 위해 유동형(flow-type) 통합 전기화학 시스템을 구축하였다. 리튬 추출을 위한 스피넬 구조의 리튬니켈망간산화물(LNMO) 전극과 니켈 전착을 위한 티타늄(Ti) 기판 전극을 결합하여 연속 공정을 구현했다. 해당 시스템은 실제 폐배터리 침출액을 적용한 50 사이클 동안의 운전에서도 높은 리튬 및 니켈 회수 용량을 유지하였으며, 높은 순도로 금속을 회수할 수 있었다. 이 외에도 경제성에 대한 고찰을 통해 전기화학적 배터리 재활용 공정의 실제 적용 가능성을 검토하였다.
배터리 재활용을 포함한 자원 회수 과정에서는 상대전극 반응에 대한 고려가 필수적으로 이루어져야 한다. 연구팀에서는 염소 이온(Cl⁻)과 효과적으로 반응할 수 있는 탄소 쉘 기반의 은 나노입자(N-Ag@NC) 복합 소재를 개발하였다. 상용 마이크로 은 입자의 염화 반응과 폴리도파민 코팅 과정을 통해 N-Ag@NC 입자를 합성하였고, 500 회에 달하는 염소 이온 포집/탈착 사이클 측정을 통해 높은 성능과 안정성을 실험적으로 검증하였다. 또한 측정 전후 전극의 구조적 특성에 대한 분석을 진행하여, 은 입자의 크기와 탄소 쉘의 유무에 따라 염소 이온과의 반응 특성을 확인했다. 이를 토대로 염소 이온 포집/탈착 반응에서 높은 성능과 안정성을 확보할 수 있는 전극의 설계 원리에 대해 고찰할 수 있었다. 더 나아가 리튬 회수가 이루어지는 낮은 농도 조건에서도 해당 전극이 안정적으로 구동될 수 있음을 증명하였다. 이러한 일련의 성과를 통해 전기화학적 분리 및 회수 공정을 배터리 재활용에 적용할 수 있는 기반을 마련하였고, 산업 공정의 전기화(electrification)에 대응할 수 있는 배터리 재활용 요소 기술을 개발하였다는 점에 의미를 부여할 수 있다.
