울산과학기술원(UNIST)은 폐배터리에서 니켈과 코발트를 초고순도로 회수하는 친환경 재활용 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

지구환경도시건설공학과 김귀용 교수 연구팀은 다기능성 특수 용매를 활용한 전기 화학 공정으로 폐배터리 속 니켈과 코발트를 선택적으로 분리·회수하는 데 성공했다.

폐배터리는 니켈, 코발트, 망간 같은 전략 금속 자원을 대량 함유해 도시 광산으로 불린다. 하지만 여러 금속이 혼합돼 있어 분리가 까다롭다. 기존 습식 재활용 방식은 황산 등 강산과 화학 추출제를 사용해 유해 폐수를 배출하고, 다단계 공정으로 에너지 효율이 낮다는 한계가 있었다.

새로운 전기 화학 공정은 약품 사용과 폐수 발생을 최소화하면서 단일 공정으로 순도와 회수율을 동시에 끌어올린다. 폐배터리 가루를 녹인 액체에 전압을 조절하며 전기를 흘려 이온 상태 금속을 고체로 석출시키는 방식이다. 금속 이온별로 고체 석출 전압이 다른 특성을 이용했다.

배터리 제조 단가의 50% 정도를 차지하는 니켈과 코발트는 비슷한 전압에서 함께 석출되는 문제가 있다. 연구팀은 특수 용매로 이를 해결했다. 특수 용매의 에틸렌글라이콜 성분이 니켈 이온과, 염화물 성분이 코발트 이온과 각각 결합해 두 금속 이온의 석출 전압을 바꾼다. 니켈은 -0.45V, 코발트는 -0.9V에서 분리 추출된다.

공정 중 자연 발생하는 염소 성분은 불순물로 섞인 코발트만 선택적으로 재용해하는 기능을 해, 별도 정제 공정 없이 니켈 분리 순도를 높인다. 코발트를 녹인 염소는 염산 이온으로 이온화돼 대기 배출 우려가 없고, 축적된 용매 속 염산 성분을 순수 염산으로 재생해 재사용 가능하다.

실제 상용 NCM 폐배터리에 적용한 결과 니켈과 코발트 모두 최대 99.9% 이상 순도로 분리됐고, 두 금속 모두 95% 이상 회수율을 나타냈다. 사용한 특수 용매는 4회 이상 재사용해도 성능이 유지돼 폐수 발생을 최소화할 수 있다.

김귀용 UNIST 교수는 "전기 화학 분리 방식의 고질적 한계였던 순도와 회수율의 상충 관계를 동시에 해결한 것"이라며 "화학 물질 사용과 폐수 발생을 최소화하면서도 경제성을 확보할 수 있어, 지속 가능한 배터리 순환 경제를 구축하는 데 기여할 것"이라고 밝혔다.

연구 결과는 국제 학술지 '에너지 저장 소재(Energy Storage Materials)' 10월호에 실렸다. 연구는 교육부, 한국연구재단, UNIST 지원으로 수행됐다.