- DEG 활용 집전체 분리·양극재 재생, NCM 99.1%·LFP 99.7% 용량 회복

▲ 에너지연 연구진이 디에틸렌글리콜 용액을 활용해 폐양극재에서 집전체를 완전 분리하는 기술을 개발해 양극재 재생을 동시에 해결했다.

전기차 보급 확대로 폐배터리 발생량이 증가하는 가운데 국내 연구진이 폐양극재를 녹이지 않고 집전체를 분리하면서 양극재 성능까지 동시에 회복하는 직접 재활용 공정을 개발해 폐배터리 자원순환 및 친환경 재활용 기술의 산업 적용 가능성을 높였다.

한국에너지기술연구원(이하 에너지연)은 광주친환경에너지연구센터 우중제 박사 연구진이 폐배터리 직접 재활용 과정에서 난제로 꼽혀온 양극재와 집전체의 분리 문제를 해결하고, 분리와 동시에 폐양극재를 신품에 준하는 수준으로 재생하는데 성공했다고 25일 밝혔다.

최근 전기차 보급 확대로 폐배터리를 안정적으로 처리하는 동시에 핵심 소재를 효율적으로 회수할 수 있는 재활용 기술의 중요성이 커지고 있다. 배터리를 폐기하거나 기존 방식으로 재활용하는 과정에서는 중금속 등이 포함된 폐수가 발생할 수 있어 토양과 지하수 오염 우려가 있다.

특히 배터리의 용량과 성능을 좌우하는 양극재에는 니켈·코발트·망간 등 주요 금속이 포함돼 있다. 이 가운데 코발트 등 일부 소재는 높은 가격뿐 아니라 채굴 과정에서 환경 부담이 발생하기 때문에 사용 후 배터리에서 소재를 회수하고 기존 양극재 구조를 최대한 유지해 재사용하는 직접 재활용(Direct Recycling) 기술이 주목받고 있다.

직접 재활용은 양극재를 금속 원소 단위까지 분해한 뒤 다시 소재를 합성하는 기존 습식제련·건식제련 방식과 달리, 사용 후 배터리의 양극재 구조를 유지하면서 열화된 성능을 회복해 다시 사용하는 기술이다. 이에 따라 원료와 에너지 사용량을 줄일 수 있다는 장점이 있지만, 양극재와 집전체를 손상 없이 완전히 분리하는 기술이 핵심 과제로 지적돼 왔다.

배터리의 집전체는 전극에서 전자가 원활하게 이동하도록 하는 금속 소재로, 충·방전 과정에서도 양극재가 떨어지지 않도록 강한 접착력으로 부착돼 있다. 때문에 재활용 과정에서 양극재와 집전체를 분리하기가 쉽지 않다.

기존에는 강한 접착력을 제거하기 위해 유해 화학물질이 포함된 특수 용액 등을 사용하는 방식이 활용됐지만, 이 과정에서 일부 용액 잔유물이 양극재 내부로 흡수될 수 있다. 이는 재생된 전극의 전기화학적 성능을 저하시키는 요인으로 작용해 직접 재활용 기술의 상용화를 어렵게 하는 요소로 꼽혔다.

연구진은 이 같은 문제를 해결하기 위해 디에틸렌글리콜(Diethylene Glycol, DEG)을 활용한 용액 기반 재활용 공정을 개발했다. 핵심은 디에틸렌글리콜의 산화 반응을 이용해 양극재와 집전체 사이의 접착력을 약화시키는 것이다. 연구진은 폐양극재를 디에틸렌글리콜 용액에 담근 뒤 약 130℃로 가열했다.

이 과정에서 디에틸렌글리콜에 산화 반응이 일어나면서 글리콜알데하이드가 생성된다. 글리콜알데하이드는 다른 분자와 쉽게 결합하는 특성을 갖고 있어 양극재와 집전체 사이의 결합력을 떨어뜨린다. 이를 통해 강하게 부착돼 있던 양극재와 집전체를 효과적으로 분리할 수 있다.

특히 이번 공정은 단순히 집전체를 분리하는 데 그치지 않는다. 집전체가 분리되는 과정에서 디에틸렌글리콜이 산화되면서 전자가 발생하고, 연구진은 이 전자를 이용해 열화된 양극재에 리튬이온을 다시 충전하는 방식으로 양극재 성능을 동시에 회복했다.

즉, 하나의 용액 공정에서 집전체 분리와 양극재 재생을 동시에 수행할 수 있다는 것이 이번 기술의 핵심이다. 별도의 복잡한 후처리나 양극재 재합성 과정 없이 폐양극재의 구조를 유지하면서 성능을 회복할 수 있어 공정 효율을 높일 수 있다.

연구진은 전기차 배터리에 적용되는 대표적인 양극재인 NCM과 LFP를 대상으로 개발 공정의 성능을 검증했다. NCM은 니켈(Ni)·코발트(Co)·망간(Mn)을 포함하는 리튬이온배터리 양극재이며, LFP는 리튬인산철(LiFePO₄)을 기반으로 하는 양극재다. 두 소재는 현재 전기차용 배터리에서 널리 활용되고 있어 폐배터리 재활용 기술의 적용성을 평가하는 주요 대상이다.

실험 결과, 개발 공정을 적용해 재생한 NCM 양극재의 용량은 신품 대비 99.1%까지 회복됐다. LFP 양극재 역시 신품 대비 99.7%의 용량을 회복해 사실상 신품에 가까운 성능을 나타냈다.

실제 전기차용 배터리에서 채취한 열화 양극재를 활용한 검증도 진행됐다. 연구진은 50Ah급 전기차용 배터리에서 채취한 열화 양극재를 복원한 뒤 소형 테스트 셀에 적용했다. 그 결과,  방전용량이 기존 30.6mAh에서 34.6mAh로 향상되는 것을 확인했다. 실제 사용 후 전기차 배터리에서 발생한 열화 양극재를 대상으로도 성능 회복이 가능함을 확인하면서 실사용 배터리로의 적용 가능성을 입증했다.

이번 공정의 또 다른 특징은 폐수 발생과 에너지 소비를 줄일 수 있다는 점이다. 양극재 자체를 용해시킨 후 다시 소재를 합성하는 방식이 아니라 양극재 구조를 유지하면서 분리·재생하기 때문에 기존 재활용 공정에서 요구되는 복잡한 소재 재합성 단계를 줄일 수 있다.

연구를 주도한 에너지연 송진주 박사는 “이번 기술은 폐배터리 양극재를 녹이지 않고도 재활용할 수 있어 폐수 발생에 따른 환경오염을 줄이고 공정에 필요한 에너지 역시 절감할 수 있는 친환경 기술”이라며 “공정이 간단하고 밀폐 환경 등이 필요하지 않아 산업 현장 적용성이 매우 높다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 산업통상부와 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐으며며, 연구 결과는 국제 저명 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF 14.1, 2026년 9월호)에 게재됐다.

* 기사출처 :  http://amenews.kr/news/view.php?idx=67786