순천향대 조용현 교수팀, 복합 염수서 고순도 리튬 직접 회수 기술 개발

[충청뉴스 김남숙 기자] 순천향대학교는 에너지공학과 조용현 교수 연구팀이 복합 염수에서 리튬을 고순도 인산리튬(Li₃PO₄) 형태로 직접 회수할 수 있는 단일 셀 기반 전기화학 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

이번 연구 성과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 게재됐다. 논문 제목은 ‘레독스 흐름식 담수화에서 용해도 기반 분리를 통한 삼원계 염수 내 고순도 인산리튬의 직접 회수’다.

전기차 시장 확대와 함께 배터리 핵심 소재인 리튬 수요가 급증하고 있지만, 염수에는 리튬과 화학적 특성이 유사한 소듐과 마그네슘이 함께 존재해 선택적 분리에 어려움이 있다. 기존 리튬 추출 공정은 증발, 침전, 정제 등 여러 단계를 거쳐야 해 처리 시간과 에너지 소비, 화학약품 사용량이 많다는 한계가 있었다.

조용현 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 레독스 흐름 탈염(RFD·Redox-Flow Desalination) 기반의 단일 셀 시스템을 개발했다.

연구팀은 셀 내부에서 인산소듐(Na₃PO₄)은 물에 용해되고, 인산리튬(Li₃PO₄)은 낮은 용해도로 인해 고체로 침전되는 특성을 활용해 리튬을 선택적으로 분리했다.

또한 리튬 회수를 방해하는 마그네슘은 EDTA와 결합해 음이온성 복합체로 전환함으로써 리튬 회수 영역으로 이동하는 것을 차단했다. 이를 통해 하나의 전기화학 셀 안에서 리튬, 소듐, 마그네슘 등 세 종류 이온을 효과적으로 분리할 수 있었다.

실험 결과 연구팀은 별도의 후처리 과정 없이 순도 98.6%의 인산리튬을 확보했다. 15㎃의 낮은 전류 조건에서는 리튬 1몰당 에너지 소비량이 0.4㎾h로 나타났으며, 인산 3%를 전극에 첨가했을 때 최대 침전 효율은 56.1%까지 향상됐다.

특히 소듐 농도가 리튬보다 10배 높은 조건에서도 안정적으로 인산리튬을 회수해 실제 복합 염수 환경에서의 적용 가능성을 확인했다.

인산리튬은 리튬인산철(LFP) 배터리 양극재 제조에 활용되는 핵심 원료다. 이번 기술은 탄산리튬 등 중간 소재 생산 단계를 줄이고 염수에서 고체 리튬 화합물을 직접 생산할 수 있어 리튬 소재 생산 공정의 효율 향상과 비용 절감에 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구에는 순천향대학교 에너지공학과와 미래융합기술학과, 첨단에너지연구센터를 비롯해 홍익대학교, 미국 조지아공과대학교 연구진이 공동 참여했다.