배터리공학과 류원희 교수팀, 사용 후 배터리 직접재활용 설계 원리 제시 - 에너지 준위 기반 선별 기준 확립으로 저에너지·친환경 배터리 직접재활용 기술 고도화 - 이차전지 분야 국제 학술지 'Energy Storage Materials' 게재 |
[사진. 배터리공학과 류원희 교수]
우리 대학교 배터리공학과 류원희 교수 연구팀이 사용 후 배터리 양극재의 성능을 회복시키는 직접재활용(Direct Recycling) 기술의 새로운 설계 원리를 제시했다. 이번 연구는 이차전지 분야 국제전문학술지인 'Energy Storage Materials'(IF 19.3)에 지난 6월 30일 온라인 게재됐다.
전기차와 ESS의 보급 확대로 사용 후 리튬이온전지가 급증하면서 배터리 재활용의 중요성이 커지고 있다. 특히 양극재에는 니켈, 코발트, 리튬 등 고가의 핵심 자원이 포함돼 있어 이를 효율적으로 회수·재활용하는 것이 경제적·환경적으로 매우 중요하다.
기존 재활용 기술은 고온 열처리나 강산 등 부식성 화학물질을 사용하는 복잡한 공정을 거쳐 양극재를 원료 수준으로 분해한 뒤 재합성하는 방식이어서 많은 에너지와 비용이 소요된다. 이에 사용 후 양극재의 구조를 유지한 채 부족한 리튬만 다시 채워 성능을 회복시키는 직접재활용 기술이 친환경적이고 경제적인 대안으로 최근 주목받고 있다.
연구팀은 이번 연구에서 사용 후 양극재에 리튬을 효과적으로 공급해 성능을 회복시키는 '화학적 재리튬화(Chemical Relithiation)'의 새로운 설계 원리를 제시했다. 화학적 산화·환원 반응을 통해 리튬을 전달하는 '레독스 미디에이터(Redox Mediator)'의 작동 원리를 에너지 준위(Energy Level) 관점에서 분석하고, 다양한 용매와의 조합을 비교·검증해 리튬을 효과적으로 공급하면서도 양극재의 손상을 최소화할 수 있는 최적 조건을 규명했다.
[그림. 레독스 미디에이터를 활용한 사용 후 양극재의 리튬 균일화 및 직접재활용 개념도]
특히 이번 연구는 레독스 미디에이터 후보 물질을 일일이 실험으로 검증해야 했던 기존의 시행착오 방식에서 벗어나, 효과적인 재활용 물질을 사전에 예측·선별할 수 있는 과학적 기준을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 이를 통해 양극재와 레독스 미디에이터, 용매 간의 특성을 종합적으로 고려해야 안정적인 성능 회복이 가능하다는 사실을 확인했다.
연구팀이 제시한 설계 원리는 다양한 배터리 소재에 적합한 재활용 물질을 보다 빠르고 효율적으로 선별하고, 소재별 특성에 맞는 직접재활용 공정을 체계적으로 설계하는 데 활용될 전망이다. 나아가 고온 열처리와 화학약품 사용을 줄이면서 고가의 양극재를 효과적으로 재활용함으로써, 배터리 재활용에 드는 에너지와 비용을 절감하고 핵심 자원의 순환 활용을 확대하는 데 기여할 것으로 기대된다.
류원희 교수는 "기존 전기차와 에너지저장장치뿐만 아니라 향후 AI 데이터센터와 무인 모빌리티 등으로 배터리 시장이 빠르게 확대되면서 사용 후 배터리의 재활용 문제는 더욱 중요해질 것"이라며 "이번 연구에서 제시한 설계 원리가 보다 친환경적이고 효율적인 배터리 재활용 기술 개발에 기여하기를 기대한다"고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 한국에너지기술평가원의 저탄소고부가전극재제조혁신기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.
