"배터리 재활용 새 기준 제시" 인하대 연구팀, 폐스테인리스로 LFP 양극재 합성
【파이낸셜뉴스 인천=한갑수 기자】 인하대학교 연구진이 폐스테인리스 자원을 활용해 리튬인산철(LFP) 양극재를 합성하고 재활용 배터리 소재 설계의 새로운 방향을 제시해 주목 받고 있다.
인하대학교는 최진섭 이차전지융합학과 교수 연구팀이 폐스테인리스 자원에서 유래한 철 전구체를 활용해 리튬인산철 양극재를 합성하고, 재활용 공정에서 발생하는 니켈과 크롬 불순물의 영향을 체계적으로 분석한 연구 결과를 발표했다고 12일 밝혔다.
전기차와 에너지저장장치(ESS) 시장이 빠르게 성장하면서 배터리 소재의 자원순환과 재활용 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
그러나 실제 재활용 공정에서는 다양한 금속 성분이 혼합돼 철 기반 전구체에 니켈, 크롬 등의 불순물이 잔존하는 문제가 발생한다. 이를 제거하기 위해 고순도 정제 공정을 적용해 왔지만 높은 비용과 에너지 소비가 산업적 부담으로 지적돼 왔다.
연구팀은 실험 분석과 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 니켈과 크롬이 리튬인산철 구조 내에서 서로 다른 역할을 수행한다는 사실을 규명했다.
연구 결과에 따르면 소량의 니켈은 리튬인산철 결정 구조에 안정적으로 포함돼 전하 전달과 리튬 이온 이동을 촉진함으로써 우수한 고율 특성을 구현하는 것으로 나타났다.
반면 크롬은 구조 내에 안정적으로 포함되지 못하고 산화물 형태의 비활성 상으로 분리돼 리튬 이온의 이동을 방해하고 전기화학적 성능을 저하시키는 것으로 확인됐다.
특히 연구팀은 니켈 함량이 약 1 mol% 수준일 때 가장 우수한 성능 균형을 보인다는 점을 밝혀냈다. 일정 수준 이상에서는 결정 구조 왜곡과 결함 증가로 인해 오히려 성능이 저하되는 현상도 함께 규명했다.
이번 연구는 재활용 공정에서 발생하는 불순물을 단순히 제거 대상으로만 인식했던 기존 접근에서 벗어나, 불순물의 종류와 농도에 따라 관리·활용할 수 있다는 새로운 관점을 제시했다는 점에서 의미가 크다.
또 실제 재활용 환경에서 발생 가능한 불순물 조건을 반영해 연구를 진행함으로써 재활용 유래 철 전구체 내 불순물의 구조적·전자적·전기화학적 영향을 종합적으로 분석했다. 이를 통해 재활용 기반 리튬인산철 양극재의 현실적인 설계 방향과 불순물 허용 기준도 제안했다.
이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 Advanced Science(JCR 2024 기준 영향력지수 14.1)에 게재됐으며, 산업통상자원부의 '니켈·크롬 함유 폐스크랩 내 니켈·크롬 추출 및 소재화를 위한 신제련·추출 공정 기술 개발' 사업의 지원을 받아 수행됐다.
최진섭 교수는 "이번 연구는 어떤 불순물이 어느 수준까지 허용 가능한지를 체계적으로 제시했다는 점에서 의미가 있다"라고 말했다.
[email protected] 한갑수 기자
