인하대, 배터리 재활용 새 해법 제시…‘불순물의 재발견’

인하대 전경 ⓒ 인하대 제공

인하대 연구팀이 배터리 재활용 과정에서 발생하는 금속 성분의 영향을 분석해 차세대 자원순환형 배터리 산업 발전에 기여할 연구 성과를 내놨다.

인하대는 최진섭 이차전지융합학과 교수 연구팀이 재활용 금속 자원을 활용한 리튬인산철(LFP) 양극재의 특성을 분석하고, 재활용 소재의 성능 향상 방안을 제시했다고 12일 밝혔다.

최근 전기차와 에너지저장장치 시장이 확대되면서 사용 후 배터리와 폐금속 자원의 재활용 필요성이 커지고 있다.

그러나 재활용 과정에서 발생하는 니켈, 크롬 등의 잔류 금속은 배터리 소재 품질을 떨어뜨릴 수 있어 산업계에서는 이를 제거하기 위한 추가 정제 공정에 많은 비용과 에너지를 투입해 왔다.

연구팀은 실제 재활용 환경을 가정한 조건에서 실험과 이론 계산을 병행해 금속 성분별 특성을 정밀 분석했다.

그 결과 니켈은 적정 수준에서 리튬인산철 내부 구조의 전기적 특성을 향상시키고 리튬 이온 이동을 돕는 역할을 하는 것으로 나타났다.

반면 크롬은 배터리 내부에서 안정적으로 결합하지 못하고 별도의 비활성 물질로 남아 이온 이동을 방해하는 것으로 확인됐다.

연구진은 이러한 차이를 통해 재활용 소재의 성능을 높이기 위한 관리 기준과 설계 방향을 도출했다.

특히 니켈 함량이 약 1% 수준일 때 충·방전 성능과 구조 안정성이 가장 우수한 것으로 분석됐으며, 일정 농도를 넘어서면 오히려 결함이 증가해 성능 저하가 발생한다는 점도 밝혀냈다.

이번 연구는 재활용 소재에 포함된 금속 성분을 일괄적으로 제거하는 기존 방식에서 벗어나, 성분별 특성을 고려한 효율적인 관리 전략이 필요하다는 점을 제시했다는 데 의미가 있다.

또 실제 산업 현장에서 발생하는 재활용 원료 조건을 반영해 연구를 수행함으로써 상용화 가능성을 높였다는 평가를 받고 있다.

연구 결과는 재료과학 분야의 국제 학술지인 Advanced Science에 게재됐으며, 산업통상자원부 지원 연구사업의 일환으로 진행됐다.

최진섭 교수는 “재활용 소재에 포함된 금속 성분의 특성을 체계적으로 분석해 활용 가능성을 확인했다”며 “앞으로는 불순물 제거 중심의 접근에서 벗어나 효율적인 관리와 활용 기술 개발이 배터리 산업의 중요한 경쟁력이 될 것”이라고 말했다.