회전 반응기를 이용한 고효율 금속 분리 기술

본 발명은 단일 회전 반응기 내에서 서로 섞이지 않는 액체들의 동심층 구조를 이용하여, 폐리튬이온전지 등에서 특정 금속을 선택적이고 효율적으로 분리하는 새로운 방법 및 시스템에 관한 것입니다. 기존의 복잡하고 비용이 많이 들었던 공정을 단순화하고, 분리막 없이 안정적으로 높은 분리 속도와 선택성을 달성할 수 있는 혁신적인 기술입니다.

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 리튬이온전지는 전기차, 휴대용 전자기기 등에 널리 사용되며 수요가 급증하고 있습니다. 이에 따라 폐배터리 발생량 또한 기하급수적으로 증가하여 환경 및 안전 문제에 대한 우려가 커지고 있습니다.

• 기존의 폐배터리 재활용 기술은 공정이 복잡하고 비용이 많이 소요되는 단점이 있습니다.

• 다수의 반응기를 사용하거나 각 반응기의 조건을 세밀하게 조절해야 하므로 공정 비용이 증가합니다.

• 분리막을 사용하는 기술의 경우, 강한 교반에 의해 분리막이 불안정해지는 문제가 발생할 수 있습니다.

기술의 필요성

• 기존 기술의 단점을 극복하고, 경제적이고 안정적인 형태를 갖춘 새로운 재활용 기술이 필요합니다.

• 폐리튬이온전지에서 코발트, 망간 등 유가 금속에 대한 높은 추출 속도와 선택성을 달성할 수 있는 혁신적인 공정이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 회전하는 반응기 내에서 원심력을 이용하여 서로 다른 밀도를 가진 세 종류의 액체(수성 공급상, 유기상, 수성 수용상)를 안정적인 동심층 형태로 만듭니다.

• 중간의 유기상에 포함된 '유기 추출제'가 분자 셔틀(shuttle)처럼 작동합니다. 이 추출제는 금속이 포함된 수성 공급상에서 특정 금속 이온을 포획합니다.

• 금속을 포획한 추출제는 유기상을 가로질러 반대편 수성 수용상으로 이동한 뒤, 포획했던 금속을 방출합니다. 이 과정은 두 수성상의 pH 차이에 의해 구동됩니다.

• 이러한 셔틀링 작용을 반복하여 수성 공급상의 특정 금속을 수성 수용상으로 선택적으로 옮겨 농축 및 분리합니다.

구체적인 구현 방법

1. 제1 실시양태 (단순 원통형 반응기): 수평으로 놓인 원통형 반응기를 회전시키며 밀도가 다른 액체들(수성 수용상 → 유기상 → 수성 공급상 순)을 순차적으로 주입하여 동심층을 형성합니다. 주기적으로 회전 속도를 가속 및 감속하여 상들 간의 물질 전달을 촉진합니다.

2. 제2 실시양태 (내부 로터 장착 반응기): 내부 벽으로 여러 구획(세그먼트)이 나뉜 원통형 반응기와, 그 중심을 관통하는 내부 로터(프로펠러와 임펠러 장착)를 사용합니다. 외부 원통형 반응기와 내부 로터의 회전 속도를 다르게 조절(교반 모드)하여 유기상을 강제로 순환시키고 수성상과 유화(emulsion)시켜 계면 면적을 극대화함으로써 분리 효율을 획기적으로 높입니다.

기술의 장점

• 고효율 및 고선택성: 낮은 농도의 추출제를 사용하더라도 우수한 분리 속도와 높은 선택성을 확보할 수 있습니다. 특히 내부 로터를 사용하는 경우, 분리 속도가 30배 이상 향상됩니다.

• 경제성 및 안정성: 기본적으로 하나의 반응기를 사용하고 별도의 분리막이 필요 없어 공정이 단순하고 비용이 저렴하며, 물리적으로 안정적입니다.

• 효율적인 공간 활용: 시간 및 공간적 측면에서 다단계 반응을 하나의 장치에서 효율적으로 진행할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구의 실험은 실제 폐리튬이온전지(LiNi₀.₈₅Co₀.₁₀Mn₀.₀₅O₂)의 양극 활물질로부터 제조된 산침출용액을 사용하여, 제안된 회전 반응기 시스템이 특정 유가 금속(Co²⁺, Mn²⁺)을 선택적으로 분리하고, 나머지 금속(Li⁺, Ni²⁺)으로부터 효과적으로 정제할 수 있는지 그 성능과 효율성을 검증하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 침출용액 준비: 폐리튬이온전지를 방전, 해체하여 얻은 양극 활물질을 황산과 과산화수소를 이용해 침출시켜 금속 이온이 녹아있는 수성 공급상(산침출용액)을 제조합니다.

2. 동심층 형성: 회전 반응기 내부에 준비된 수성 공급상, 유기상(추출제+용매), 수성 수용상(회수용액)을 주입하여 안정한 동심층을 형성합니다.

3. 셔틀링 과정 진행: 반응기 회전 속도 조절(제1 실시양태) 또는 내부 로터 구동(제2 실시양태)을 통해 분자 셔틀링을 촉진하여 금속 분리를 진행합니다.

4. 결과 분석: 일정 시간 반응 후, 각 액상 층을 샘플링하여 ICP-OES 분광분석기로 금속 농도를 측정하고 분리 효율과 순도를 평가합니다.

실험 결과

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 폐리튬이온전지 재활용: 코발트, 망간, 니켈, 리튬 등 고가의 유가 금속을 효율적으로 회수하여 배터리 원료로 재활용합니다.

• 희토류 원소 분리: 광석 침출액에서 토륨, 우라늄, 네오디뮴 등 희토류 원소를 선택적으로 분리 및 정제하는 공정에 적용할 수 있습니다.

• 기타 금속 제련: 하프늄, 지르코늄 등 화학적 성질이 유사하여 분리가 어려운 금속 혼합물을 분리하는 다양한 습식 제련 공정에 활용 가능합니다.

기대효과

• 경제적 효과: 공정 단순화 및 설비 소형화를 통해 초기 투자 비용과 운영 비용을 절감하고, 유가 금속 회수를 통해 높은 부가가치를 창출할 수 있습니다.

• 환경적 효과: 폐배터리로 인한 환경오염을 줄이고, 자원 재활용을 통해 광물 채굴에 따른 환경 파괴를 최소화하는 순환 경제 구축에 기여합니다.

• 산업적 효과: 핵심 광물의 해외 의존도를 낮추고 안정적인 공급망을 확보하여, 배터리 및 전기차 산업의 국가 경쟁력을 강화하는 데 기여합니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

폐리튬이온전지 재활용 시장은 전 세계적으로 빠르게 성장하고 있습니다. 글로벌 배터리 재활용 시장은 2020년 172억 달러에서 2025년 232억 달러로 연평균 6.1% 성장할 것으로 전망됩니다. 특히 전기차용 배터리 재활용 시장은 2040년 87조 원 규모로 폭발적인 성장이 예상됩니다.

• 전기차 시장의 급격한 성장에 따라 폐배터리 배출량 또한 2025년부터 가파르게 늘어나 2029년에는 약 8만 개의 폐배터리가 배출될 전망입니다. (출처)

• 아시아-태평양 지역은 연평균 6.8%로 가장 높은 시장 성장률을 보일 것으로 예측됩니다. (출처)

주요 기술 및 경쟁 환경

현재 폐배터리 재활용 기술은 크게 건식 공정, 습식 공정, 직접 재활용 방식으로 나뉩니다. 본 발명은 고순도 금속 회수에 유리한 습식 공정을 기반으로 하면서도, 공정의 복잡성과 비용 문제를 혁신적으로 개선한 기술로 높은 경쟁력을 가집니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 원자재 가격 급등: 2022년 기준 코발트, 리튬, 니켈 등 핵심 원자재 가격이 급등하면서 폐배터리가 '도시 광산'으로 주목받고 있습니다. 특히 폐배터리의 리튬 농도는 천연 자원보다 높아 중요한 공급원으로 간주됩니다.

2. 환경 규제 강화: EU, 중국 등을 중심으로 재활용 원료 사용 및 폐배터리 수거를 의무화하는 등 글로벌 환경 규제가 강화되면서 재활용 기술의 중요성이 더욱 커지고 있습니다.

3. 공급망 안정성 확보: 소수 국가에 편중된 핵심 광물의 공급망 리스크를 완화하고, 자원 안보를 강화하기 위한 전략적 수단으로 재활용 기술이 부상하고 있습니다.