에너지연, 폐배터리 직접 재활용 난제 해결...양극재 재생 용액 공정 개발

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 폐배터리 재활용 과정의 최대 난제로 꼽히던 집전체 분리와 폐양극재 재생을 단 하나의 용액 공정으로 동시 해결하는 친환경 기술을 개발했다.

한국에너지기술연구원은 광주친환경에너지연구센터 우중제·송진주 박사 연구진이 폐배터리 양극재의 알루미늄 포일 집전체를 완벽히 분리함과 동시에 폐양극재를 신품 수준으로 복원하는 폴리올 기반 통합 재생 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료 분야 국제 저명 학술지 ‘어드밴스드 사이언스’에 게재됐다.

기존 폐배터리 제련 방식은 에너지 소모가 크고 CO2 배출량이 과도하며, 직접 재활용 방식 역시 집전체 박리와 리튬 복원 공정이 분리돼 복잡하고 알루미늄 이물질에 의한 양극재 순도 저하 문제가 존재했다.

연구진은 디에틸렌글리콜(DEG)과 리튬염(LiOH)으로 구성된 복원 용액에 폐양극재를 담가 130℃에서 20분간 가열하는 일체형 용액 공정(One-pot)을 제시했다.

반응 과정에서 DEG가 산화되며 생성된 글리콜알데하이드가 양극재와 집전체 사이의 결합을 파괴해 알루미늄 포일을 손상 없이 100% 분리시킨다.

이와 동시에 DEG 산화 시 방출된 전자와 리튬 이온이 결정 구조 내로 삽입되며 리튬을 재충전해 양극재 본연의 성능을 복원하는 원리다.

개발된 공정을 적용한 결과 니켈·코발트·망간(NCM) 양극재는 신품 대비 99.1%, 리튬인산철(LFP) 양극재는 99.7% 수준까지 방전 용량이 회복돼 신품과 대등한 성능을 입증했다.

특히 실제 전기차용 50암페어시(Ah) 대용량 배터리 셀 테스트에서도 방전용량이 30.6mAh에서 34.6mAh로 크게 향상돼 실제 전기차 환경 적용 가능성을 증명했다.

이번 기술은 불활성 가스 분위기나 고압 장비가 필요 없는 개방 대기 환경에서 반응이 진행되며 복원 용액은 리튬염만 보충하면 최소 3회 이상 재사용이 가능해 높은 경제성을 확보했다.

공정 단순화를 통해 기존 습식제련 방식 대비 에너지를 최대 88% 절감하고 온실가스 배출량을 80% 저감할 수 있어 친환경성 또한 탁월하다.

송진주 박사는 “폐배터리 양극재를 녹이지 않고도 재활용할 수 있어 폐수 발생과 에너지 소비를 대폭 줄인 친환경 기술”이라며 “공정이 간단하고 밀폐 환경이 필요 없어 산업 현장에 바로 적용하기 용이하다”고 설명했다..

한편 연구진은 향후 연속 공정 및 대량 처리 기술을 추가 개발해 배터리 재활용 및 소재 순환 생태계 구축에 기여할 계획이다.