1.리사이클링 배터리(폐배터리) 습식 제련 공정 내 강산성 용액에 노출되는 반응기 금속 부식 방어
리사이클링 배터리(폐배터리) 습식 제련 공정 내 강산성 용액에 노출되는 반응기 금속 부식 방어
폐배터리에서 리튬(Li), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn) 등을 회수하는 습식 제련(Hydrometallurgy)은 배터리 재활용 산업에서 중요한 공정으로 자리 잡고 있습니다.
그런데 이 공정에서 반응기 재질을 선정할 때 단순히 “산에 강한 스테인리스강을 사용하면 된다”고 접근하면 실제 설비에서 예상하지 못한 부식 문제가 발생할 수 있습니다.
저도 한번씩 이런 현상을 보게 될때가 있습니다.
왜냐하면 폐배터리 침출액은 단순한 황산이나 염산이 아니라, 강산 + 고농도 금속이온 + 산화제 + 염화물 + 고형물 + 고온이 동시에 존재할 수 있는 복합 부식환경이기 때문입니다.
특히 반응기에서는 일반적인 균일부식뿐 아니라 국부부식(Pitting), 틈새부식(Crevice corrosion), 침식-부식(Erosion-corrosion), 용접부 부식, 입계부식 및 응력부식균열(SCC)까지 함께 검토해야 합니다.
1. 리사이클링 배터리(폐배터리) 습식 제련이 금속에 가혹한 이유
대표적인 Li-ion battery black mass 침출공정에서는 황산(H₂SO₄)을 침출제로 사용하고 과산화수소(H₂O₂) 등의 환원·산화 보조제를 사용하는 경우가 많습니다.
실제 연구에서도 1 M H₂SO₄와 H₂O₂를 이용한 폐배터리 침출이 사용됐으며, 다른 연구에서는 0.5~3 M H₂SO₄, 0.5~2 vol% H₂O₂, 30~70°C 조건에서 black mass의 Li, Ni, Mn, Co 침출을 조사했습니다.
문제는 침출 대상 자체에 있습니다.
Black mass가 용해되면서
Li⁺ → Ni²⁺ → Co²⁺ → Mn²⁺ → Fe³⁺/Fe²⁺ → Cu²⁺
등 다양한 금속이온이 용액으로 이동합니다.
따라서 반응기 내부는 시간이 지나면서 원래의 산성용액과 다른 고이온강도·다성분 전해질 환경으로 변합니다.
특히 Fe³⁺처럼 산화성이 강한 이온이 존재하면 금속 표면의 전기화학적 부식 반응을 변화시킬 수 있습니다.
즉, 리사이클링 배터리 습식 제련 공정 내 강산성 용액에 노출되는 반응기 금속 부식 방어에서 가장 먼저 해야 할 일은 “산 농도” 하나만 보는 것이 아니라 실제 공정액의 화학조성을 분석하는 것입니다.
2. 316L이면 충분할까?
많은 화학설비에서 316L Stainless Steel이 우선적으로 검토됩니다.
하지만 강산성 침출액에서는 316L을 무조건 안전한 재질로 판단해서는 안 됩니다.
특히 H₂SO₄ 농도, 온도, Cl⁻ 농도 및 산화성 이온에 따라 부식 거동이 크게 달라집니다.
2026년 발표된 304 stainless steel 연구에서도 H₂SO₄와 Cl⁻ 농도의 조합에 따라 부식전류밀도와 공식 발생 경향이 달라지는 것이 확인됐습니다.
더 중요한 것은 실제 폐배터리 재활용 장비와 유사한 고온 침출 조건에서 수행된 재료 비교시험입니다.
2025년 연구에서는 200°C, 1 M citric acid hydrothermal leaching 조건에서 SA516-70, 316L, Hastelloy C276을 비교했습니다.
144시간 후 측정된 부식률은 다음과 같았습니다.
| 재질 | 부식률 |
|---|---|
| SA516-70 | 24.26 mm/year |
| 316L | 0.73 mm/year |
| Hastelloy C276 | 0.04 mm/year |
동일한 조건에서도 재질에 따라 부식률이 약 600배 이상 차이났습니다.
물론 이 결과를 황산 침출공정에 그대로 적용할 수는 없습니다.
시험 산이 citric acid였기 때문입니다.
하지만 이 연구가 보여주는 중요한 엔지니어링 포인트는 분명합니다.
고온·고압 습식 제련설비에서는 재질 자체가 부식수명을 결정하는 핵심 설계변수가 될 수 있다는 것입니다.
3. Hastelloy C276도 무조건 안전한 것은 아니다
그렇다면 니켈계 합금인 Hastelloy C276을 사용하면 문제가 해결될까요?
그 역시 단순하지 않습니다. 저도 이런 문제를 해결하려면 머리가 많이 아픕니다.
Hastelloy C276은 Cr-Mo-W가 포함된 Ni-base alloy로 산성 및 염화물 환경에서 높은 내식성을 갖는 대표적인 재료입니다.
그러나 황산 농도와 온도가 올라가면 C276에서도 부식률이 증가할 수 있습니다.
실험자료에서는 C276이 황산농도와 온도 조합에 따라 상당히 다른 부식률을 나타내며, 예를 들어 80°C에서 20% H₂SO₄에서는 약 0.08 mm/year, 40%에서는 약 0.13 mm/year 수준의 자료가 보고되어 있습니다. 반면 온도가 더 올라가거나 산 농도 조건이 변화하면 부식률이 크게 증가할 수 있습니다.
또한 C276이라고 해서 용접부가 항상 모재와 동일한 내식성을 갖는다고 가정해서도 안 됩니다.
따라서 실제 설계에서는
Base metal → Weld metal → HAZ → Cladding interface
를 별도로 평가하는 것이 중요합니다.
4. 리사이클링 배터리(폐배터리) 침출액에서 가장 위험한 것은 국부부식이다
반응기 설계에서 평균 부식률만 계산하면 중요한 문제를 놓칠 수 있습니다.
예를 들어 평균 부식률이 0.2 mm/year라고 하더라도 실제로는 전체 표면이 0.2 mm씩 균일하게 감소하는 것이 아니라 특정 위치에 공식(Pit)이 집중될 수 있습니다.
특히 다음 위치가 위험합니다.
- 교반기 주변
- Baffle 뒤쪽
- Nozzle 내부
- Manway gasket
- Flange
- 용접부
- Dead leg
- 액면 변동부
- 고형물이 침전되는 하부
- 반응기 배출구
리사이클링 배터리(폐배터리) 침출액에서는 미세한 고형물도 함께 존재하기 때문에 침전물 아래에서 Under-deposit corrosion이 발생할 가능성도 고려해야 합니다.
여기에 Cl⁻가 포함되면 국부적인 Passive film breakdown이 발생할 수 있습니다.
실제로 황산 환경에서 Cl⁻ 농도가 증가할 경우 stainless steel의 공식 거동이 크게 변화할 수 있다는 연구 결과가 보고되어 있습니다.
5. H₂O₂가 들어가면 부식환경이 달라진다
폐배터리 침출공정에서 H₂O₂는 금속 침출을 향상시키기 위해 사용되는 경우가 있습니다.
실제 연구에서도 H₂SO₄와 H₂O₂ 조합이 Ni, Co, Mn 등의 침출을 향상시키는 것으로 보고됐습니다.
그러나 엔지니어링 관점에서는 이것이 반응기 재질에 중요한 변수가 됩니다.
왜냐하면 H₂O₂는 단순한 산 농도 변화가 아니라 산화-환원전위(ORP) 자체를 변화시키기 때문입니다.
따라서 재질 선정 시
pH + H₂SO₄ 농도 + Cl⁻ + Fe³⁺ + ORP + Temperature
를 함께 관리해야 합니다.
특히 Fe³⁺와 Cl⁻가 동시에 존재하는 황산 환경은 stainless steel의 부식 거동을 크게 변화시킬 수 있다는 연구도 오래전부터 보고되어 왔습니다.
6. 반응기 재질은 어떻게 선정해야 하는가?
실무적으로는 다음과 같은 단계가 가장 합리적입니다.
① 먼저 실제 침출액을 분석한다
설계조건만 보고 재질을 결정하지 말고 실제 공정액 또는 Pilot leach liquor를 대상으로
- H₂SO₄
- HCl
- Cl⁻
- Fe²⁺/Fe³⁺
- Ni²⁺
- Co²⁺
- Mn²⁺
- Cu²⁺
- H₂O₂
- ORP
- pH
- 온도
- 고형물 농도
를 확인해야 합니다.
② 후보 재질을 Coupon test한다
304L → 316L → Duplex → 904L → Alloy 625 → C276 등 후보군을 선정하고 실제 공정액에서 immersion test와 electrochemical test를 수행하는 방법입니다.
중요한 것은 단순히 평균 무게감소만 측정하는 것이 아닙니다.
시험 후
SEM / EDS / XRD / 표면조도 / Pit depth / Cross-section
까지 분석해야 합니다.
③ 용접부를 별도로 평가한다
반응기는 용접구조물이기 때문에 모재 시험 결과만으로 전체 설비의 내식성을 판단하면 안 됩니다.
특히 nozzle과 shell의 용접부, agitator support, internal baffle 등 응력이 집중되는 위치는 별도 평가가 필요합니다.
7. 가장 현실적인 방법은 ‘고가 합금 전체 적용’이 아닐 수 있다
대형 리사이클링 배터리(폐배터리) 습식 제련설비에서 C276이나 Alloy 625를 반응기 전체에 사용하는 것은 경제성이 떨어질 수 있습니다.
그래서 실제 산업설비에서는 Carbon steel + corrosion-resistant cladding/lining과 같은 복합적인 설계도 중요한 대안이 됩니다.
최근 LIB hydrothermal leaching 장비 연구에서도 부식률과 비용을 함께 고려해 carbon steel과 Hastelloy cladding plate의 조합이 대형 설비의 후보로 제시됐습니다.
즉,
구조강도는 Carbon steel이 담당하고
부식 방어는 Ni-base alloy가 담당하는 구조
입니다.
다만 cladding은 단순히 “두껍게 붙이면 된다”가 아닙니다.
특히
- Cladding thickness
- Bond integrity
- Weld overlay
- Dilution
- HAZ
- Interface corrosion
- Repair welding
까지 고려해야 합니다.
8. 실무 엔지니어가 반드시 봐야 할 부식 포인트
리사이클링 배터리(폐배터리) 습식 제련 공정 내 강산성 용액에 노출되는 반응기 금속 부식 방어의 핵심은 재질 하나를 선택하는 것이 아닙니다.
다음과 같은 관리체계를 만드는 것이 더 중요합니다.
공정조건 관리
→ 산 농도
→ 온도
→ ORP
→ Cl⁻
→ Fe³⁺
→ 고형물 농도
재질관리
→ 316L
→ 고합금 stainless
→ Ni-base alloy
→ C276/625
→ Cladding
부식관리
→ Coupon
→ UT thickness
→ Pit depth
→ Weld inspection
→ SEM/EDS
→ Corrosion rate trend
이렇게 연결해야 합니다.
특히 초기 설비에서는 부식률이 낮더라도 장기간 운전하면서 침전물과 금속이온 농도가 변화하면 부식환경 자체가 달라질 수 있습니다.
따라서 한 번의 재질시험 결과를 10년 수명으로 그대로 환산하는 것은 위험합니다.
9. FAQ
Q1. 폐배터리 황산 침출반응기에 316L을 사용할 수 있나요?
가능한 조건도 있지만 황산농도, 온도, Cl⁻, Fe³⁺, ORP를 함께 검토해야 합니다. 특히 국부부식 가능성이 있는 조건에서는 단순한 평균 부식률만으로 판단하면 안 됩니다.
Q2. Hastelloy C276이면 안전한가요?
C276은 매우 우수한 내식재료지만 모든 산 농도와 온도에서 무조건 안전한 것은 아닙니다. 실제 공정액으로 시험하는 것이 가장 확실합니다.
Q3. 가장 경제적인 방법은 무엇인가요?
대형 반응기라면 전체를 고가 Ni-base alloy로 제작하기보다 Carbon steel + 내식성 cladding/lining을 검토할 수 있습니다. 실제 hydrothermal LIB leaching 연구에서도 이와 같은 접근이 비용과 내식성을 동시에 고려한 후보로 제시됐습니다.
Q4. 부식률이 낮으면 반응기 수명도 긴가요?
반드시 그렇지는 않습니다. 평균 부식률보다 최대 Pit depth, 용접부 국부부식, 틈새부식 및 압력경계의 최소두께가 실제 안전성에 더 중요할 수 있습니다.
10. 핵심 정리
폐배터리 습식 제련의 부식 문제는 단순한 “강산에 의한 금속 용해”로 설명하기 어렵습니다.
강산 + Cl⁻ + Fe³⁺ + 산화제 + 고온 + 고형물 + 유동
이라는 복합 환경에서 발생하는 전기화학적 문제입니다.
따라서 리사이클링 배터리(폐배터리) 습식 제련 공정 내 강산성 용액에 노출되는 반응기 금속 부식 방어는
① 실제 공정액 분석 → ② 후보재료 비교시험 → ③ 용접부 평가 → ④ Cl⁻·ORP 관리 → ⑤ Cladding/lining 검토 → ⑥ UT·Pit monitoring
순서로 접근하는 것이 가장 현실적입니다.
특히 2025년 실제 hydrothermal leaching 재료시험에서 200°C 조건에서 SA516-70, 316L, C276의 부식률이 각각 24.26, 0.73, 0.04 mm/year로 크게 달라졌다는 결과는, 습식 제련설비에서 재질 선정 자체가 공정 신뢰성을 결정하는 핵심 변수라는 점을 잘 보여줍니다.
11. 참고문헌
- 폐리튬이온배터리 황산 침출 연구 — Hydrometallurgy Development of a metal recovery process from Li-ion battery wastes
- 2025년 폐배터리 black mass 산 침출 비교 연구 Comparative study on the leaching behavior of lithium-ion battery black mass
- 2025년 LIB hydrothermal leaching 장치 재료별 부식시험 — ACS Sustainable Chemistry & Engineering Evaluation of the Corrosion Behavior of Various Metallic Materials for Material Selection of Citric Acid Hydrothermal Leaching Apparatus
- 황산-염화물 환경에서 304 stainless steel 부식 연구 Influence of chloride ion concentration on the corrosion behavior of 304 stainless steel in sulfuric acid
- 황산-Fe³⁺-Cl⁻ 환경에서 stainless steel 부식 연구 Corrosion Behavior of Stainless Steels in Sulfuric Acid Containing Cl⁻ and Fe³⁺
- Hastelloy C276 황산 내식성 자료 HASTELLOY C-276 Corrosion Data
12. 연계해서 읽어보자.
