폐스테인리스에 남아 있는 금속 성분을 활용해 배터리 소재를 만드는 연구 결과가 나왔다. 불순물을 제거하는 대신 특성을 분석해 활용함으로써 배터리 재활용 비용과 에너지 사용을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

인하대학교(총장 조명우)는 최진섭 이차전지융합학과 교수 연구팀이 폐스테인리스 자원으로 리튬인산철(LFP) 양극재를 합성하고, 재활용 과정에서 남는 니켈과 크롬의 영향을 규명했다고 12일 밝혔다.

전기차와 에너지저장장치(ESS) 시장이 확대되면서 배터리 소재 재활용의 중요성이 커지고 있다. 그러나 실제 재활용 공정에서는 철 기반 전구체에 니켈과 크롬 등 금속 성분이 남아 고순도 정제 공정이 필수로 여겨져 왔다.

연구팀은 실험과 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 니켈과 크롬이 리튬인산철 구조에서 서로 다른 역할을 한다는 사실을 확인했다.

연구 결과 니켈은 결정 구조에 안정적으로 포함돼 전하 전달과 리튬 이온 이동을 촉진하는 반면, 크롬은 비활성 산화물 형태로 분리돼 이온 이동을 방해하고 성능을 떨어뜨리는 것으로 나타났다. 특히 니켈 함량이 약 1mol% 수준일 때 가장 우수한 성능을 보였으며, 그 이상에서는 구조 왜곡으로 성능이 저하되는 것으로 분석됐다.

연구팀은 이번 연구가 불순물을 모두 제거해야 한다는 기존 접근에서 벗어나 종류와 농도에 따라 관리·활용할 수 있다는 가능성을 제시했다고 설명했다. 또한 재활용 유래 철 전구체의 불순물 허용 기준과 양극재 설계 방향도 함께 제안했다.

최진섭 교수는 “어떤 불순물이 어느 수준까지 허용 가능한지를 체계적으로 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “앞으로는 불순물을 완전히 제거하기보다 거동을 이해하고 활용하는 소재 설계 전략이 중요해질 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘Advanced Science’에 게재됐다. 이번 연구는 산업통상부의 ‘니켈·크롬 함유 폐스크랩 내 니켈·크롬 추출 및 소재화를 위한 신제련·추출 공정 기술 개발’ 사업에 참여하면서 수행됐다.