단일 전기화학 셀로 순도 98.6% 인산리튬 생산 … 배터리 소재 공정 단순화 기대
순천향대학교는 에너지공학과 조용현 교수 연구진이 복합 염수에서 배터리 핵심 원료인 리튬을 고순도 인산리튬(Li₃PO₄) 형태로 직접 회수하는 전기화학 공정을 개발했다고 1일 밝혔다.
이번 성과는 하나의 전기화학 셀에서 리튬을 선택적으로 분리해 인산리튬을 생산하는 기술이다. 기존보다 공정을 단순화하고 에너지와 화학약품 사용량을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
전기차 보급이 늘면서 배터리용 리튬 수요도 빠르게 증가하고 있다. 하지만 염수에는 리튬과 함께 소듐, 마그네슘이 들어 있어 원하는 리튬만 분리하기 어렵다. 기존 공정은 증발과 침전, 정제 등 여러 단계를 거쳐야 해 시간과 에너지, 화학약품이 많이 필요한 단점이 있었다.
연구진은 ‘레독스 흐름 탈염(RFD)’ 방식의 단일 전기화학 셀을 이용해 이 문제를 해결했다. 물에 잘 녹는 인산소듐은 용액에 남기고, 잘 녹지 않는 인산리튬만 고체로 석출되는 특성을 활용해 리튬을 선택적으로 회수했다.
또 분리를 방해하는 마그네슘은 EDTA와 결합시켜 다른 형태의 복합체로 만든 뒤 이동을 차단했다. 이를 통해 하나의 셀에서 리튬과 소듐, 마그네슘을 효과적으로 분리하는 데 성공했다.
실험에서는 별도 후처리 없이 순도 98.6%의 인산리튬을 얻었다. 리튬 1몰을 회수하는 데 필요한 에너지 소비량은 0.4㎾h였고, 전극에 인산을 3% 첨가했을 때 침전 효율은 최대 56.1%까지 높아졌다. 소듐 농도가 리튬보다 10배 높은 복합 염수에서도 안정적으로 인산리튬을 회수해 실제 적용 가능성도 확인했다.
인산리튬은 리튬인산철(LFP) 배터리 양극재의 핵심 원료다. 이번 기술은 탄산리튬 등 중간 원료를 거치지 않고 고체 리튬 화합물을 직접 생산할 수 있어 공정 효율을 높이고 생산 비용을 줄이는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
이번 연구에는 순천향대 에너지공학과와 미래융합기술학과, 첨단에너지연구센터를 비롯해 홍익대와 미국 조지아공과대 연구진이 함께 참여했다.
연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 Chemical Engineering Journal에 게재됐다. 논문 제목은 ‘레독스 흐름식 담수화에서 용해도 기반 분리를 통한 삼원계 염수 내 고순도 인산리튬의 직접 회수’다.
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