리튬 이온전지에서 사용되는 금속 혼합물들을 회전하는 액체 동심원 반응기를 이용하여 용기 하나에서 효율적으로 분리시켰다. 이 반응기는 액체-액체 계면에서의 활발한 혼합과 유화를 가능하게 하면서 분리 전의 금속 혼합물을 공급하는 층과 분리 후의 금속을 수용하는 층, 수성 두 층이 섞이는 것을 방지한다. 결과적으로, 이 반응기 내의 추출용매가 녹아 있는 유기층은 금속 공급층화 수용층을 왕복하면서 이 반응기의 전례 없는 물질의 분리속도와 선택성을 보장한다.

기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질연구단 Bartosz A Grzybowski 그룹리더 연구팀은 수평으로 회전하는 액체 동심원 반응기를 사용하여 다 쓴 리튬이온 전지 안에 있는 리튬, 니켈, 코발트와 같은 가치 있는 금속을 재활용하는 새로운 방법을 개발했다. 금속 분리에서 일반적으로 사용되는 방법인 습식 제련기반의 분리방법은 전지 재활용 공정의 필수적인 부분이지만, 이 방법은 금속의 추출 효율과 선택성에서 한계가 있다. 또한 금속의 분리를 위해서 많은 액체-액체 추출단계들이 필요한데, 이 단계들은 분리에 사용된 유기층의 금속을 보관할 수 있는 용량과 추출된 금속의 분배 계수로 인해 전체적으로 금속분리의 병목현상을 야기시킨다. 연구팀에서 개발한 시스템은 높은 pH를 가지고 있는 “feed”층, 유기 추출체로 구성된 “shuttle”층, 그리고 낮은 pH의 “acceptor”층은 회전하는 용기 안에서 형태를 무너뜨리지 않고 층이 유지되므로 두 수성 층(feed, acceptor층)이 혼합되지 않고 층간 계면에서의 안정적이고 효율적인 혼합을 가능하게 하는 구조인 동심원 구조를 가지게 된다. 이 연구는 위 방법의 대안으로 막 없이 용기 하나에서 진행되는 금속의 추출과 격렬한 교반을 이용한 유기-수성 계면의 유화를 통한 스트리핑 방법을 보여준다.

공동 저자인 Olgierd Cybulski 연구위원이 설계한 수평으로 회전하는 반응기는 용기 하나 안에 수성 공급 층, 유기성 추출용매 층 그리고 수성 수용 층이 존재하며, 이 층들을 수성 층 간의 섞임 없이 격렬하게 교반 및 유화 시키면서 이를 이용해서 복잡한 금속 혼합물들을 처리할 수 있다. 다른 공동 저자인 Cristóbal Quintana 연구위원은 “이 공정은 낮은 농도의 금속 추출용매를 사용하며 높은 선택성으로 금속의 분리를 매우 빠르게 수행할 수 있다”고 말했다.

이 연구는 동심원 액체 반응기, 특히 분할 구조버전의 반응기가 기존의 금속 분리 방법보다 훨씬 낮은 농도의 추출용매를 사용하여 고농축 혼합물에서 가치 있는 금속을 빠르게 분리 할 수 있고, 분리 공정에서 아직 밝혀지지 않은 범위의 변수에 접근할 수 있음을 보여준다. 뿐만 아니라 작동 전력 대 반응기 크기 조정이 가능하다는 측면에서 동심원 액체 반응기는 기존의 습식 제련법에 대한 흥미로운 대안이 될 수 있고 잠재적으로 다른 가치 있는 금속의 분리에 연구팀이 제시한 방법이 적용될 수 있다. Grzybowski 그룹리더는 “이 기술은 또한 우리가 보여준 것처럼 다양한 “feed” 금속구성 뿐만 아니라 배터리에 사용되어지는 금속이외의 금속으로도 조정할 수 있다는 점에서 미래지향적이다.” 라고 말했다.

(이 보도자료는 IBS 첨단연성물질 연구단에서 제공하였습니다.)