디에틸렌글리콜 용액 활용해 폐양극재에서 집전체 완전 분리, 양극재 재생을 동시에 해결
NCM 양극재 용량 99.1%, LFP 양극재 용량 99.7% 회복… 신품과 대등한 성능 입증

최근 전기차 보급률이 높아지면서 전기차에서 나오는 폐배터리의 처리가 사회적 과제로 떠오르고 있다. 배터리를 폐기할 때 나오는 폐수에 중금속이 다량 함유돼 있어 토양과 지하수를 오염시키기 때문이다.

또 배터리의 용량을 결정하는 양극재에는 코발트 등 비싸면서도 채굴 과정에서 환경오염을 일으키는 희귀 금속이 다량 함유돼 있다. 이에 기존의 배터리 구조를 재사용하면서 자원도 회수할 수 있는 폐배터리 직접 재활용 기술이 각광받고 있다.

이러한 가운데, 한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 광주친환경에너지연구센터 우중제 박사 연구진이 폐배터리 직접 재활용의 난제로 꼽혔던 집전체 분리 기술을 개발하고 집전체 분리와 동시에 폐양극재를 신품에 준하는 수준으로 재생하는 데 성공했다.

연구진이 개발한 기술의 핵심은 양극재에 포함된 집전체를 완벽하게 분리하는 기술이다. 집전체는 배터리 안에서 전기가 잘 흐르도록 돕는 역할을 해 충·방전 시에도 떨어지지 않도록 강하게 부착돼 있다. 하지만 배터리 재활용 시에는 강한 접착력 탓에 유해 화학물질이 포함된 특수 용액으로만 녹일 수 있다. 또 과정 중 일부 잔유물은 내부로 흡수되고 재구성된 전극의 성능을 떨어트려 폐배터리 직접 재활용의 난제로 여겨졌다.

이를 해결하기 위해 연구진은 용액 기반의 재활용 공정을 개발했다. 폐양극재를 디에틸렌글리콜 용액에 담궈 130도(℃)로 가열하면 산화 반응이 일어나 글리콜알데하이드로 변한다. 다른 분자와 쉽게 결합하는 특성을 가진 글리콜알데하이드는 양극재와 집전체 사이의 접착력을 떨어트려 집전체의 완벽한 분리를 이끌었다. 또 분리와 동시에 디에틸렌글리콜이 산화되며 발생하는 전자로 양극재에 리튬이온을 재충전함으로써 효율성도 끌어올렸다.

개발된 공정으로 전기차에 사용되는 NCM, LFP 양극재를 재생한 결과, NCM 양극재는 신품 용량 대비 99.1% 수준으로 회복됐으며, LFP 양극재는 신품 용량 대비 99.7% 수준으로 회복돼 신품과 거의 동일한 성능을 나타냈다.

또 전기차용 50암페어시(Ah) 배터리에서 채취한 열화 양극재를 복원해 소형 테스트 셀에 적용한 결과, 방전용량이 30.6밀리암페어(mAh)에서 34.6밀리암페어로 향상되는 것을 확인해 실제 전기차 환경에도 적용이 가능하다는 것을 입증했다.

연구를 주도한 에너지기술연구원 송진주 박사는 “이번 기술은 폐배터리 양극재를 녹이지 않고도 재활용할 수 있어, 폐수 발생으로 인한 환경오염을 일으키지 않고 쓰이는 에너지도 줄일 수 있는 친환경 기술”이라며, “공정이 간단하고 공정을 위한 밀폐 환경 등이 필요하지 않아 산업 현장 적용성이 매우 높다”고 밝혔다.