폐배터리, 고성능 양극재로 다시 태어난다

- 기존 구조 보존해 고성능 소재로 재생한 업사이클링 전략 제시 -

□ 다 쓴 배터리를 고성능 배터리로 재활용하는 기술이 개발됐다.

□ 한국연구재단(이사장 홍원화)은 가천대학교 윤문수 교수 연구팀이 MIT 주 리(Ju Li) 교수 연구팀 및 칭화대학교 얀하오 동(Yanhao Dong) 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 폐배터리를 고에너지 밀도의 NCM811(니켈 리치)* 양극재로 재생하는 공융염** 기반 준액상*** 업사이클링(direct upcycling)**** 공정을 개발했다고 밝혔다.

* 니켈리치: 양극소재 내 Ni의 함량이 70% 이상인 양극소재를 일컫는다.

** 공융염 : 둘 이상의 염(salt)들이 일정한 조성비로 혼합될 때, 각 개별 염의 녹는점보다 더 낮은 고유의 녹는점을 가지며 동시에 녹아내리는 혼합염을 의미한다. 이 조성은 ‘공융점(eutectic point)’이라 불리며, 고체-액체 상태 전이가 빠르게 일어나는 특성이 있어 반응 촉진과 저온 공정에 유리하다.

*** 준액상 : 고체와 액체의 중간 성질을 띠며, 유동성이 있어 반응물 간 접촉면적을 크게 늘려 화학 반응을 촉진하는 환경.

**** 업사이클링(Upcycling): 폐자원을 단순 재활용(recycling)이 아닌, 기능적으로 더 우수한 제품으로 전환하는 고부가가치화 기술.

□ 폐배터리 증가에 따른 자원 낭비 및 환경오염 문제가 심화되면서 폐배터리 재활용 기술에 대한 관심이 높아지고 있지만, 공정 중 발생하는 다량의 폐수로 인해 경제적  환경적 부담이 가중되고 있다.

⃝ 이러한 문제를 해결하기 위한 업사이클링 기술이 주목받고 있으나, 기존 방식은 기술적인 한계점이 존재하고 산업적 성숙도가 낮아 직접적인 산업화에는 어려움이 많다.

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

⃝ 공융염 혼합물을 공자전 혼합기*를 이용해 수 분 내 국소적 용융 상태로 유도하면 공융염이 준액상 상태가 된다. 이를 사용후 양극 소재의 결정립계**에 선택적으로 침식하게 만들면 입자 간 접촉면을 균일하게 만들 수 있게 되는데, 이러한 과정을 거치면 손상된 결정 구조가 재배열되고 입자가 균일하게 성장하면서 단결정 형태의 고성능 NCM811 양극 소재 합성이 가능해진다.

* 공자전 혼합기: 회전과 공전 운동을 동시에 수행하는 장비로, 입자 간 강한 마찰과 고속 혼합을 유도할 수 있어 고체 분말 반응에 효과적임

** 결정립계 : 다결정 물질 내에서 서로 다른 결정 방향(방위)을 가진 두 결정립(grain)이 만나는 경계면을 의미함. 사용후 양극재의 외형이 다결정 형태임.

⃝ 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.

* 파우치셀: 파우치형 배터리로 원통형, 각형보다 에너지 밀도가 높고 유연해 배터리 시장에서 각광받고 있다.

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

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구 지원을 받아 수행된 이번 연구의 성과는 화학 및 에너지 분야의 학술지인 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 4월 9일 온라인 게재되었다.