Effect of element composition of cathode on the carbothermic reduction of spent lithium-ion electrode materials

매일 수백만 명의 사람들이 휴대폰, 노트북, 전기 자동차에 전력을 공급하기 위해 리튬 이온 배터리에 의존하고 있습니다. 이러한 장치들은 현대 공학의 경이로운 산물이지만, 수명이 존재합니다. 배터리가 충전을 유지하지 못하게 되면 그것은 폐기물이 되지만, 동시에 리튬, 니켈, 코발트와 같은 가치 있는 금속의 보물 창고가 되기도 합니다. 이러한 재료를 회수하는 것은 새로운 광산을 파헤칠 필요를 줄이고 독성 폐기물이 쌓이는 것을 방지하기 때문에 청정 에너지의 미래에 매우 중요합니다. 이러한 배터리를 재활용하는 유망한 방법 중 하나는 배터리를 탄소와 함께 가열하는 것인데, 이 과정은 복잡한 배터리 재료를 더 단순한 형태로 분해하여 물로 쉽게 씻어내어 리튬을 추출할 수 있게 합니다. 하지만 모든 배터리가 동일하게 만들어지는 것은 아닙니다. 배터리의 양극(양극재)의 화학적 구성은 모델마다 크게 다르며, 과학자들은 이러한 차이점이 재활용 과정에 어떤 영향을 미치는지 오랫동안 궁금해해 왔습니다.

중국 광업 및 기술 대학교(China University of Mining and Technology)와 베이첸 첨단 재활용 기술(Beichen Advanced Recycling Technology)의 연구진은 배터리 양극의 특정 금속 혼합물이 가열 과정 중 분해되는 방식을 정확히 어떻게 변화시키는지 이해하기 위해 연구를 수행했습니다. 그들은 사용된 배터리에서 발견되는 세 가지 흔한 니켈 함량이 높은 양극 유형에 집중했습니다: 니켈, 코발트, 망간이 균형 있게 섞인 것, 망간이 매우 적고 니켈 함량이 매우 높은 것, 그리고 망간이 거의 없는 것 세 가지입니다. 연구진은 이 사용된 양극 재료를 배터리의 음극에서 나온 흑연과 혼합하고 통제된 환경에서 가열함으로써, 화학 반응이 일어나는 과정을 관찰할 수 있었습니다. 그들은 샘수의 질량이 어떻게 변하는지, 열을 얼마나 흡수하거나 방출하는지, 그리고 반응 속도가 어떠한지를 측정했습니다. 이를 통해 연구진은 재료가 고체 배터리 부품에서 회수 가능한 금속과 염으로 변모하는 정밀한 경로를 그려낼 수 있었습니다.

연구 결과, 양극의 구성은 재활용 과정의 '마스터 스위치' 역할을 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 연구진은 니켈 함량이 가장 높고 망간이 거의 없는 재료가 가장 단순하고 예측 가능한 방식으로 분해된다는 것을 발견했습니다. 이 재료의 반응은 단일하고 일정한 경로를 따랐으며, 시작하는 데 적절한 양의 에너지를 필요로 했고 과정 내내 그 에너지 수준을 유지했습니다. 반면, 금속이 더 균형 있게 섞인 재료는 복잡한 다단계 이벤트처럼 행동했습니다. 이 재료는 분해를 시작하기 위해 훨씬 더 높은 초기 에너지 자극이 필요했으며, 반응이 진행됨에 따라 단계가 변하며 예측하기가 더 어려워졌습니다. 망간 함량이 가장 높은 재료는 가장 완고했습니다. 이 재료는 초기에 분해되기를 저항하며 안정적인 구조를 극복하기 위해 가장 많은 에너지를 요구했고, 반응 과정은 제어하기가 가장 까다로운 복잡한 동시 단계들의 얽힌 그물망을 포함했습니다.

이러한 차이는 금속의 근본적인 성질에 뿌리를 두고 있습니다. 연구에 따르면 니켈과 코발트는 상대적으로 환원하기 쉬운데, 이는 산소를 제거하여 더 적은 노력으로 더 단순한 형태로 바꿀 수 있음을 의미합니다. 그러나 망간은 환원하기가 훨씬 더 어려우며 구조를 붙잡고 있는 경향이 있어, 전체 배터리 재료를 분해하기 어렵게 만드는 안정제 역할을 합니다. 연구진이 니켈과 코발트의 양을 늘리고 망간을 제거했을 때, 재활용에 필요한 전체 에너지는 감소했고 과정은 더 매끄러워졌습니다. 반대로 망간이 더 많이 존재할 때, 망간은 배터리의 내부 구조를 강화하여 재활용 과정이 그 안정성에 맞서 싸우도록 강요했고, 이는 과정을 늦추고 반응 경로를 더 복잡하게 만들었습니다.

이러한 발견이 실제 환경에서도 유효한지 확인하기 위해, 연구팀은 가열된 재료를 물로 씻어 리튬을 얼마나 회수할 수 있는지 확인했습니다. 그들은 가열 과정의 온도가 결정적이라는 것을 발견했습니다. 온도가 너무 낮으면 배터리 재료가 리튬을 방출할 만큼 충분히 분해되지 않았습니다. 온도가 너무 높으면 재료들이 서로 뭉치기 시작하여 리튬을 그 안에 가두게 됩니다. 세 가지 유형의 배터리 모두에 대한 최적의 지점은 섭씨 700도로 밝혀졌습니다. 이 온도에서 연구진은 각 재료로부터 가장 많은 양의 리튬을 추출할 수 있었습니다. 결과는 구성에 따라 달랐는데, 망간이 없는 재료가 가장 많은 리튬을 생성했고, 그다음은 고니켈 혼합물, 마지막으로 균형 잡힌 혼합물 순이었습니다. 이는 재료가 화학적으로 분해되기 쉬울수록 귀중한 리튬을 더 효율적으로 회수할 수 있다는 점을 확인시켜 주었습니다.

궁극적으로 이 연구는 서로 다른 종류의 폐배터리를 처리하는 방법에 대한 명확한 가이드를 제공합니다. 이는 모든 재료에 대해 재활용이 가능하지만, 성공을 위한 레시피는 그 안에 무엇이 들어있는지에 따라 달라진다는 것을 보여줍니다. 망간이 적은 배터리는 처리하기 쉽고 더 나은 결과를 내는 반면, 망간이 많은 배터리는 더 세심한 제어와 더 높은 에너지 투입을 필요로 합니다. 이러한 구체적인 화학적 거동을 이해함으로써, 엔지니어들은 처리하는 배터리의 정확한 유형에 따라 가열 및 처리 방법을 조정할 수 있는 더 나은 재활용 공장을 설계할 수 있습니다. 이러한 정밀함은 오래된 배터리 내부의 귀중한 자원이 효율적으로 회수되어, 다음 세대의 청정 에너지 기술에 필요한 원자재로 다시 돌아갈 수 있도록 보장합니다.