인하대학교는 최진섭 이차전지융합학과 교수 연구팀이 최근 폐스테인리스 자원으로 리튬인산철(LFP) 양극재를 합성하고 재활용 기반 배터리 소재 활용 가능성을 제시했다고 밝혔다.

최근 전기차와 에너지저장장치(ESS) 시장이 빠르게 성장하면서 배터리 소재의 자원순환과 재활용 기술의 중요성이 커지고 있지만 실제 재활용 공정에서는 다양한 금속 성분이 혼합돼 철 기반 전구체에 니켈, 크롬 등 불순물이 남게 된다. 기존에는 이러한 불순물을 없애기 위해 복잡한 고순도 정제 공정을 적용해 왔으나 높은 비용과 에너지 소비가 산업적 부담으로 작용해 왔다.

연구팀은 실험 분석과 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 니켈과 크롬 불순물이 리튬인산철 구조 내에서 서로 다른 역할을 한다는 사실을 확인했다.

연구 결과, 소량의 니켈은 리튬인산철 결정 구조에 안정적으로 포함돼 전하 전달과 리튬 이온 이동을 촉진하며 우수한 고율 성능을 나타냈다. 반면 크롬은 구조 내에 안정적으로 포함되지 못하고 산화물 형태의 비활성 상으로 분리돼 리튬 이온 이동을 방해하고 전기화학적 성능을 저하시키는 것으로 나타났다.

특히 연구팀은 약 1 mol% 수준의 니켈 함량에서 가장 우수한 성능 균형이 나타난다는 사실을 확인했다. 일정 수준 이상에서는 구조 왜곡과 결함 증가로 인해 오히려 성능이 저하된다는 점도 규명했다.

이번 연구는 불순물을 무조건 제거해야 하는 대상으로 보던 기존 관점에서 벗어나 불순물의 종류와 농도에 따라 관리하고 활용할 수 있다는 새로운 방향을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

또한 실제 재활용 환경에서 발생 가능한 불순물 조건을 기반으로 연구를 수행해 재활용 유래 철 전구체 내 불순물의 구조적·전자적·전기화학적 영향을 종합적으로 분석했다. 재활용 기반 리튬인산철 양극재의 현실적인 설계 방향과 불순물 허용 기준도 제시했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 Advanced Science(JCR 2024 기준 Impact Factor 14.1)에 게재됐으며, 산업통상부의 ‘니켈·크롬 함유 폐스크랩 내 니켈·크롬 추출 및 소재화를 위한 신제련·추출 공정 기술 개발’ 사업에 참여하면서 수행됐다.

교신저자인 최진섭 인하대 이차전지융합학과 교수는 “이번 연구는 어떤 불순물이 어느 수준까지 허용 가능한지를 체계적으로 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후에는 불순물을 완전히 제거하는 방식보다 불순물 거동을 이해하고 관리하는 방향의 소재 설계 전략이 중요해질 것으로 기대된다”고 말했다.

[ 경기신문 /인천= 윤용해 기자 ]