중국의 리튬이온 배터리(LIB) 관련 기술이 날로 발전하고 있다. 게다가 폐배터리 재활용 연구도 활발해 제조와 생산에 이어 재활용까지 명실상부한 배터리 산업 세계 1위 종주국 자존심을 지키려 애쓰는 모습이 역력하다.

최근 널리 사용되고 있는 리튬이온 배터리는 모바일, 태블릿을 비롯해 전기자동차 등 다양한 분야에 쓰이고 있다. 현존하는 배터리 제품 중 에너지 저장능력이 탁월하다는 장점 등으로 그 수요가 증가하고 있다.

하지만, 리튬 가격 상승과 자원 고갈 문제, 독성 물질을 함유한 방전 배터리 처리 문제 등이 수면 위로 떠오르면서 리튬이온 배터리 재활용에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.

미국 산업 매체 오일프라이스(Oilprice)는 리튬이온 배터리의 재활용은 높은 품질의 리튬을 회수하기 복합하고 비용이 많이 들기 때문에, 대부분의 재활용 공정은 양극에서 리튬을 추출하는데 중점을 두고 있다고 지적했다.

리튬이온 배터리를 재활용하는 것은 매우 까다로운 공정이다. 다시 사용할 수 있을 만큼 높은 품질의 리튬을 회수하는 것은 복잡하고 비용이 많이 들어간다.

중국과학원(ICCAS) 화학연구소와 중국과학원(UCAS) 대학의 위궈궈(Yu-Guo Guo)와 칭하이 멍(Qinghai Meng)이 이끄는 연구팀은 리튬이온 배터리를 재활용 하는 대체 방법을 개발했다. 이 연구팀은 물 대신에 양극에서 리튬을 회수하기 위해 비양성자성 유기 용액을 사용했다. 양성자성 물질은 수소 이온을 방출할 수 없으므로 수소 가스가 생성되지 않는다.

대부분의 재활용 공정은 음극(방전된 배터리의 리튬 대부분이 위치한 곳)에서 리튬을 추출하는 것을 목표로 한다. 그러나 리튬은 음극에 포함된 다른 금속과 함께 침전되기 쉬워 분리하는데 까다로운 작업이 수반되기 마련이다.

주로 흑연(graphite)으로 이뤄진 양극에서 리튬 추출은 훨씬 효율적이며 배터리 방전 없이 수행할 수 있다. 그러나 수용액으로 침출되면 화재와 폭발 위험도 높다. 또 이러한 반응은 많은 양의 에너지를 방출하고 수소를 생성할 수 있다.

이에 연구팀은 양극에서 리튬을 회수하기 위해 물 대신 유기 용매를 사용했다. 유기 용매 물질은 수소 이온을 방출할 수 없어, 수소 가스가 생성되지 않는다.

이 용매는 다환 방향족 탄화수소(PAH)와 에테르를 포함한다. 특정 PAH는 양극의 양성 리튬 이온과 전자 하나를 함께 흡수할 수 있으며, 온화한 조건에서 이 환원 반응은 효과적으로 제어고 매우 효율적이라는 설명이다.

또 연구팀은 PAH 피렌(네 개의 벤젠 고리로 된 여러 고리 방향족 탄화수소)을 테트라에틸렌글리콜디메틸 에테르와 함께 사용하면 양극에서 활성 리튬을 거의 완전히 용해 시킬 수 있었다고 부연했다.

추가로, 얻어진 리튬-PAH 용액은 새로운 양극에 리튬을 추가하거나 전처리 또는 사용된 양극을 재생하는 데 사용될 수 있다. PAH 용매 시스템은 처리되는 물질에 최적화하기 위해 다양하게 조절될 수 있다.

PAH는 석탄, 기름, 가스, 쓰레기, 담배, 고기나 기타 물질이 연소될 때 형성되는 화학물질의 한 종류다.

오일프라이스는 "중국의 새로운 리튬 회수 공정은 효율적이고 비용이 저렴하며 안전 위험을 낮추고, 폐기물을 방지하며 리튬이온 배터리의 지속 가능한 재활용에 대한 새로운 전망을 열어준다"며 "아마도 전 세계 해변과 폐기물에 있는 수백만 개의 배터리를 재활용하는 해결책일 수 있다"고 평했다.

그러나 가장 큰 문제가 아직 남아있다. 재활용을 위해서는 먼저 배터리를 회수해야 한다. 어떤 공정을 사용하더라도 배터리를 수거하지 않으면 재활용 자체가 불가능하다.

게다가 화학 물질 사용도 문제다. 대부분의 사람들은 자신의 동네에 불쾌한 화학 물질이 들어오는 것을 원하지 않기 때문이다. PAH와 에테르를 포함한 것은 가스 밀폐 시설이 필요하며 원격 제어 기능이 반드시 필요하다.

한편, 오리온 마켓 리서치(Orion Market Research)에 따르면, 세계의 리튬이온 배터리 재활용 시장은 2022년~2028년까지 약 18.5% 성장할 것으로 예상하고 있다. 리튬이온 배터리 가격 하락에 의한 사용량 증가와 폐기물 처리에 대한 우려, 그리고 정부 정책 등이 재활용을 견인할 것으로 보여진다.

또한 LG에너지솔루션 자료에 따르면 세계 배터리 재활용 시장 규모는 2023년 108억 달러로 추정된다. 아울러 2024년 424억 달러, 2040년 2089억 달러 등으로 연평균 17% 성장할 것으로 전망되고 있다.

오일프라이스는 "하지만 무엇이든지 빨리 (대응을) 해야 한다"며 "사용된 리튬이온 배터리의 재앙적인 사고가 언젠가는 발생할 것이기 때문"이라며 리튬이온 배터리 재활용 방안 마련을 서둘러야 한다고 말했다.