Study on an Additive-assisted Acid-based Leaching System for Lithium Recovery from Lithium Phosphate

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The global demand for lithium (Li) has rapidly increased with the expansion of electric vehicles (EVs), renewable energy systems, and portable electronics. Lithium-ion batteries (LIBs), featuring high energy density, long lifespan, and excellent electrochemical performance, have become a key technology for the energy transition. Consequently, Li is now regarded as a strategic resource essential for achieving a low-carbon economy. By 2030, global Li demand is expected to exceed 11 million tons, raising concerns about resource shortages and supply instability.
Li resources are mainly concentrated in South America’s “Li Triangle” and Australia, posing supply risks from geopolitical instability and export restrictions. The Republic of Korea, despite its leadership in the battery and electronics industries, relies entirely on imported Li raw materials, highlighting the need for recovery technologies from alternative resources. Among these, Lithium phosphate (Li3PO4) is a representative insoluble Li compound with low solubility (Ksp ≈ 2.37×10-9), commonly found in industrial residues.
Acid leaching is widely used for Li recovery from solid compounds but often requires high acid concentrations and produces large amounts of acidic wastewater, limiting environmental and economic sustainability. To address this, new leaching methods combining acids with oxidizing additives have been studied to improve recovery efficiency from insoluble Li compounds. However, research on optimizing acid–additive combinations for phosphate-based solids such as Li3PO4 remains limited.
This study systematically examined key parameters including acid type, additive concentration, reaction time, and temperature—for efficient and sustainable Li recovery from Li3PO4. Using three inorganic acids, HCl, HNO3, H2SO4 and three oxidants, H2O2, KMnO4, K2S2O8, the optimal combination was identified as 0.5 M HNO3 and 0.01 M H2O2, achieving over 99% Li extraction within 10 minutes. The efficiency remained nearly constant regardless of reaction time up to 60 minutes and temperature ranging from 25 to 80°C, demonstrating that high Li recovery can be achieved without complex control or high energy input.
These findings quantitatively reveal the interactions among major leaching parameters and provide a fundamental basis for advancing hydrometallurgical processes for insoluble lithium compounds.

국문 초록 (Abstract)

전기자동차(EV), 재생에너지 시스템, 휴대용 전자기기의 급격한 확산으로 인해 전 세계 리튬(Li) 수요가 빠르게 증가하고 있다. 리튬이온배터리(LIB)는 높은 에너지 밀도, 긴 수명, 우수한 전기화학적 성능을 바탕으로 에너지 전환의 핵심 기술로 자리매김했으며, 이에 따라 리튬은 저탄소 경제 실현을 위한 전략적 자원으로 인식되고 있다. 2030년까지 전 세계 리튬 수요는 1,100만 톤을 초과할 것으로 예상되며, 이에 따른 자원 부족과 공급망 불안정 문제가 심화되고 있다.
리튬 자원은 주로 남미의 ‘리튬 삼각지대(Lithium Triangle)’와 호주에 집중되어 있어, 지정학적 불안정성과 수출 제한으로 인한 공급 리스크가 존재한다. 특히 대한민국은 배터리 및 전자 산업의 주요 국가임에도 불구하고 리튬 원료를 전량 수입에 의존하고 있어, 대체 자원으로부터 리튬을 회수할 수 있는 기술 개발이 시급하다. 이 중 인산리튬(Li3PO4)은 용해도(Ksp ≈ 2.37×10-9)가 매우 낮은 대표적인 불용성 리튬 화합물로, 다양한 산업 잔류물에서 흔히 발견된다.
산용출은 고체상 화합물로부터 리튬을 회수하는 데 널리 활용되고 있지만, 일반적으로 고농도의 산을 필요로 하고 다량의 산성 폐수를 발생시켜 환경적·경제적 지속가능성에 한계를 보인다. 이를 개선하기 위해 산과 첨가제를 병용하여 폐배터리 등에서의 리튬 회수 효율을 향상시키는 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 불용성 리튬 화합물(Li3PO4 등)을 대상으로 한 산–첨가제 조합의 최적화 연구는 여전히 부족하다.
본 연구에서는 Li3PO4로부터 효율적이고 지속 가능한 리튬 회수를 위해 산의 종류, 첨가제 농도, 반응 시간, 온도 등 주요 침출 인자를 체계적으로 분석하였다. 세 가지 무기산(HCl, HNO3, H2SO4)과 세 가지 산화제(H2O2, KMnO4, K2S2O8)를 조합하여 실험한 결과, 0.5 M HNO3와 0.01 M H2O2 조합이 가장 높은 용출 효율을 보여 10분 이내에 99.9% 이상의 리튬을 추출할 수 있었다. 또한, 반응 시간을 60분까지 연장하거나 온도를 25–80°C 범위에서 조절해도 효율 변화는 거의 없었다. 이는 고에너지 투입 없이도 빠른 시간 안에 높은 리튬 회수가 가능함을 의미한다.
본 연구의 결과는 주요 침출 인자 간의 상호작용을 정량적으로 규명하였으며, 불용성 리튬 화합물의 습식제련(hydrometallurgical) 공정을 이해하고 개선하기 위한 기초 연구 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• 1. Research Background 1
• Ⅱ. Literature Review 3
• 1. Lithium-Ion Batteries 3
• 1.1 Carbon Neutrality 3
• 1.2 Lithium-Ion Batteries 7
• 2. Current Status of Lithium Supply 11
• 2.1 Lithium Demand 11
• 2.2 Lithium Production Status 13
• 2.3 Price Trends and Outlook 15
• 3. Methods of Lithium Production 18
• 3.1 Lithium Production from Hard Rock 18
• 3.2 Lithium Production from Brine 26
• 4. Lithium Recovery technologies 36
• 4.1 Lithium Recovery from Spent Batteries 36
• 4.2 Lithium Recovery from Insoluble Lithium Compounds 40
• 4.2.1 Insoluble Lithium Compounds 40
• 4.2.2 Lithium Leaching from Lithium compounds 52
• 4.2.2.1 Single-Acid Leaching 52
• 4.2.2.2 Acid Leaching with Additives 54
• Ⅲ. Experimental Methods 57
• 1. Materials 57
• 2. Methods 57
• Ⅳ. Result 61
• 1. Acid-Specific Leaching Efficiency 61
• 2. Effect of Acid and Additive Concentrations 63
• 3. Optimization of Acid and Additive Concentrations 67
• 4. Effect of Reaction Time 69
• 5. Effect of Reaction Temperature 71
• Ⅴ. Conclusion 73
• References 75
• 국문요지 80