폐배터리, 고성능 양극재로 재탄생 [지금은 과학]

[아이뉴스24 정종오 기자] 다 쓴 배터리를 고성능 배터리로 재활용하는 기술이 개발될 것으로 보인다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 가천대 윤문수 교수 연구팀이 MIT 주 리(Ju Li) 교수 연구팀, 칭화대 얀하오 동(Yanhao Dong) 교수 연구팀과 공동연구를 통해 폐배터리를 고에너지 밀도의 NCM811(니켈 리치) 양극재로 재생하는 공융염 기반의 업사이클링(direct upcycling) 공정을 개발했다.

공융염은 둘 이상의 염(salt)들이 일정한 조성비로 혼합될 때 각 개별 염의 녹는점보다 더 낮은 고유의 녹는점을 가지며 동시에 녹아내리는 혼합염을 의미한다.

폐배터리 증가에 따른 자원 낭비와 환경오염 문제가 심화하면서 폐배터리 재활용 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 공정 중 발생하는 다량의 폐수로 인해 경제적·환경적 부담이 가중되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 업사이클링 기술이 주목받고 있다. 기존 방식은 기술적 한계점이 존재하고 산업적 성숙도가 낮아 직접적 산업화에는 어려움이 많다.

공동연구팀은 기존의 고체상 직접 재활용 방식이 갖는 여러 기술적 한계를 극복, 기존 배터리 제조 라인과 호환이 가능하면서도 훨씬 간단하고 효과적 준액상 환경 기반의 업사이클링 전략을 제시했다.

공융염 혼합물을 공자전 혼합기를 이용해 수 분 내 국소적 용융 상태로 유도하면 공융염이 준액상 상태가 된다. 이를 사용후 양극 소재의 결정립계에 선택적으로 침식하게 만들면 입자 간 접촉면을 균일하게 만들 수 있다.

이러한 과정을 거치면 손상된 결정 구조가 재배열되고 입자가 균일하게 성장하면서 단결정 형태의 고성능 NCM811 양극 소재 합성이 가능해진다.

단결정 NCM811 양극재는 기존 건식 직접 재활용 샘플 대비 더 높은 용량(198 mAh/g)과 높은 쿨롱 효율(87.3%)을 달성했다. 700mAh급 파우치셀 테스트에서는 300사이클 후에도 88.1%의 용량을 유지하며 산업적 실용 가능성도 확인했다.

연구 책임자인 윤문수 교수는 “특별한 장비 없이도 기존 양산 장비만으로 폐배터리 양극 소재를 손쉽게 고성능 단결정 양극으로 재생할 수 있다는 점에서 업사이클링의 상용화를 앞당길 수 있는 의미 있는 기술”이라고 설명했다.

연구 성과(논문명: Upcycling spent medium-Ni cathodes via novel liquified salts sourcing)는 화학과 에너지 분야의 학술지인 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 4월 9일 온라인으로 실렸다.