(To recycle batteries they are firstly shredded to produce a mixed black mass. The new process uses an oil nanoemulsion to float the graphite from the mixture. Credit: University of Leicester)
(Under a microscope the valuable metal oxide can be seen as white spheres whereas the black spheres are graphite. The nanoemulsion enables the graphite to float while the metal oxide sinks. Credit: University of Leicester)
(Application of this technology to commercial black mass samples is effective at purifying them, irrespective of the source of material. Credit: University of Leicester)
자동차 시장은 친환경 전기차가 시대의 대세가 될 것이 확실하게 여겨지고 있습니다. 배터리의 성능이 나날이 좋아지고 있고 용량 대비 가격도 개선될 뿐 아니라 전고체 배터리 같은 차세대 배터리가 개발되면 안전성도 지금보다 높아질 것으로 예상되기 때문입니다. 내연 기관 엔진은 이제 더 이상 개선이 어려운 수준까지 기술이 개발된 상태에서 결국 배터리가 계속 진화하면 어느 시점에는 친환경이라는 이유를 제외해도 전기차가 대세가 될 것이라는 예측이 나오는 이유입니다.
하지만 배터리 생산량이 크게 늘어날수록 쓰고 난 배터리를 어떻게 처리할 것인지가 새로운 문제로 떠오르고 있습니다. 이미 전 세계적으로 4000만 대 이상의 전기차가 보급되어 있고 수십 억 대의 휴대폰이 있으며 수억 대의 노트북과 태블릿이 사용 중에 있습니다. 그러나 수명이 다한 배터리를 저렴한 가격에 효과적으로 재활용할 기술은 아직 부족한 것이 현실입니다.
영국 레스터 대학의 앤디 애벗 교수와 제이크 양 박사 (Professor Andy Abbott and Dr. Jake Yang at the University of Leicester)가 이끄는 연구팀은 영국 패러데이 연구소 (Faraday Institution)와 협업으로 폐기된 리튬 이온 배터리를 쉽게 재활용할 수 있는 기술을 개발했습니다.
연구팀이 특허 대기 중인 이 신기술의 가장 독특한 점은 매우 저렴하고 친숙한 친환경 재료를 사용한다는 것입니다. 바로 음식을 요리할 때 사용하는 쿠킹 오일입니다. 물론 쿠킹 오일을 그냥 사용하는 건 아니고 초음파를 이용해서 물과 혼합해 나노 유화액 (nanoemulsion, 유화액은 물과 기름처럼 잘 섞이지 않는 액체가 다른 액체 사이에 콜로이드 상태로 퍼져 있는 상태를 말함)으로 만들어 사용합니다.
물과 기름은 서로 섞이지 않지만, 초음파로 나노 입자를 만들면 기름 입자가 물속에서 몇 주 정도 유화액 상태로 존재할 수 있습니다. 이 나노 유화액은 파쇄된 리튬 이온 배터리인 블랙 매스 (black mass)와 섞으면 리튬 배터리의 음극재 및 양극재 재료로 사용되는 흑연과 결합합니다. 그리고 결국 위로 떠오르게 되는데 덕분에 잘 분리되지 않는 흑연 소재와 리튬, 니켈, 코발트 같은 다른 금속 물질 (NMC)과 쉽게 분리됩니다.
과거 흑연 소재를 제거하기 위해서는 고온에서 열을 가하던가 각종 화학 약품을 사용해야 해서 비용이 많이 드는 것은 물론 에너지도 적지 않게 소모됐습니다. 그 과정에서 금속 산화물 소재나 다른 소재도 변성이 되면 또 그만큰 추가 손실로 이어지는 게 사실이었습니다.
이 기술은 상온, 상압에서 거의 에너지를 가하지 않고 흑연을 분리할 수 있고 소재도 저렴하기 때문에 쉽게 상용화 할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 현재 특허를 신청하고 실제 상업화를 준비 중에 있는 데 성공적인 신기술이 될지 궁금합니다.
참고
https://techxplore.com/news/2025-02-scientists-cook-green-recipe-recycling.html
Chunhong Lei et al, Using ultrasonic oil–water nano-emulsions to purify lithium-ion battery black mass, RSC Sustainability (2025). DOI: 10.1039/D4SU00771A
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