폐배터리, 고성능 양극재로 부활… 공융염 활용한 업사이클링 공정 개발

배터리 재활용이 구조 파괴 없이 고성능 소재로의 전환에 성공하며, 에너지·환경 부담을 동시에 낮추는 해법으로 주목받고 있다. 최근 한국연구재단은 가천대학교 윤문수 교수 연구팀이 미국 MIT, 중국 칭화대와 공동으로 폐배터리를 고성능 NCM811 단결정 양극재로 재생하는 공융염 기반 준액상 업사이클링 공정을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 다결정 구조의 사용후 양극재를 파괴하지 않고 재결정화해 단결정 니켈 리치 양극소재로 전환하는 새로운 기술을 구현했다. 기존 고에너지 볼밀이나 고온 소성 공정 없이도 공융염(LiOH–LiNO₃–Ni(NO₃)₂·6H₂O) 혼합물을 활용해 입자 간 마찰만으로 수분 내에 준액상 상태를 형성하고, 이 환경에서 선택적 표면 반응을 유도해 이온 확산과 구조 복원을 동시에 실현했다.

이 공정은 단 12분 이내의 혼합만으로 입자 간 접촉을 활성화하고, 손상된 결정 구조를 단결정 수준으로 재배열할 수 있도록 돕는다. 그 결과 제조된 NCM811 소재는 기존 직접 재활용 방식보다 10% 이상 높은 초기 방전 용량(198 mAh/g)과 87.3%의 초기 쿨롱 효율을 달성했으며, 700mAh 파우치셀 적용 실험에서는 300회 충방전 이후에도 88.1%의 용량을 유지하며 실용 가능성을 입증했다.

윤문수 교수는 “기존 양산 장비로도 구현 가능한 저온 공정이기 때문에 상용화 측면에서 매우 유리하다”며 “폐배터리를 고부가가치 소재로 직접 전환할 수 있는 간결하고 확장성 높은 전략”이라고 설명했다.

이번 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원한 우수신진연구 사업의 결과로, 화학 및 에너지 분야 국제학술지 'Energy & Environmental Science'에 4월 9일 온라인 게재됐다.

특히 이번 연구는 습식제련 대비 폐수 발생이 적고, 구조 손상 없이 직접 재활용이 가능해 배터리 재활용 공정의 패러다임 전환을 이끌 것으로 기대된다. 향후 수백g 이상 단위에서의 공정 확장, 다양한 폐배터리 조성 대응, 자동화 설계 등이 상용화를 위한 후속 과제로 제시됐다.