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[사진. 류원희 배터리공학과 교수]

 

전기차와 에너지저장장치(ESS) 보급이 확대되면서 사용 후 리튬이온전지 발생량이 빠르게 증가하고 있다. 특히 양극재에는 니켈, 코발트, 리튬 등 고가의 핵심 자원이 포함돼 있어 이를 효율적으로 회수·재활용하는 기술의 중요성이 커지고 있다.

 

기존 배터리 재활용 기술은 고온 열처리나 복잡한 화학 공정을 통해 양극재를 원료 수준으로 분해한 뒤 다시 합성해야 해 많은 에너지와 비용이 소요된다. 이에 최근에는 사용 후 양극재의 구조를 유지한 채 부족한 리튬만 다시 보충해 성능을 회복시키는 '직접재활용(Direct Recycling)' 기술이 친환경적이고 경제적인 대안으로 주목받고 있다.

 

배터리공학과 류원희 교수 연구팀은 이번 연구에서 사용 후 양극재에 리튬을 효과적으로 공급해 성능을 회복시키기 위한 새로운 설계 원리를 제시했다. 연구팀은 화학적 산화·환원 반응을 통해 리튬을 전달하는 레독스 미디에이터(Redox Mediator)의 최적 조건을 도출하고, 다양한 용매와의 조합을 비교·분석해 양극재 손상은 최소화하면서 리튬을 효율적으로 공급할 수 있는 조건을 규명했다.

[그림. 레독스 미디에이터를 활용한 폐양극재의 리튬 균일화 및 직접재활용 개념도 ]
 

 

특히 이번 연구는 레독스 미디에이터 후보 물질을 하나씩 실험해 검증하던 기존의 시행착오 방식에서 벗어나, 에너지 준위(Energy Level)를 기반으로 적합한 후보 물질을 사전에 예측·선별할 수 있는 과학적 기준을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 양극재와 레독스 미디에이터, 용매 간의 에너지 준위를 종합적으로 고려해야 안정적인 리튬 보충과 성능 회복이 가능하다는 사실을 확인했다.

 

이번에 제시한 설계 원리는 다양한 배터리 소재에 적합한 재활용 물질을 보다 빠르고 효율적으로 선별하고, 소재 특성에 맞는 직접재활용 공정을 체계적으로 설계하는 데 활용될 것으로 기대된다. 또한 고온 열처리와 화학약품 사용을 줄이면서도 고가의 양극재를 효과적으로 재활용할 수 있어, 배터리 재활용 과정의 에너지와 비용을 절감하고 핵심 자원의 순환 활용을 확대하는 데 기여할 것으로 전망된다.

 

류원희 교수는 "기존 전기차와 에너지저장장치뿐 아니라 앞으로 AI 데이터센터와 무인 모빌리티 등으로 배터리 수요가 빠르게 증가하면서 사용 후 배터리 재활용의 중요성도 더욱 커질 것"이라며 "이번 연구에서 제시한 설계 원리가 보다 친환경적이고 효율적인 배터리 직접재활용 기술 개발에 기여하기를 기대한다"고 말했다.

 

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업(신진후속)과 한국에너지기술평가원의 저탄소고부가전극재제조혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 이차전지 분야 국제학술지 'Energy Storage Materials(IF 19.3)'에 지난 6월 30일 온라인 게재됐다.