미국 코넬대학교 과학 연구팀은 최근 배터리 구조를 손상시키지 않으면서 폐 리튬이온 배터리 전극을 '재생'할 수 있는 새로운 전기화학욕 처리 공정을 개발했다고 발표했으며, 용량을 원래 수준의 약 95%까지 복원하고 배터리 재활용 비용을 약 56% 절감할 수 있을 것으로 예상됩니다. 이번 연구결과는 '에너지와 환경과학' 저널에 게재됐으며, 리튬배터리 재활용을 촉진하고 환경부하를 줄일 수 있는 잠재적 핵심기술로 평가받고 있다.

전통적인 리튬 배터리를 재활용하려면 일반적으로 전체 배터리를 물리적으로 분쇄한 다음 새로운 전극 제조에 사용하기 위해 건식 야금 또는 습식 야금과 같은 복잡하고 에너지 소모적인 공정을 통해 리튬, 니켈, 코발트, 망간과 같은 주요 금속을 추출해야 합니다. 이 과정에서는 먼저 배터리 팩을 완전히 방전시켜야 하며, 구조 부품, 관리 시스템을 포함한 다수의 보조 부품을 분해해야 하며, 그런 다음 전극, 전해질, 분리막이 포함된 셀을 기계적으로 파쇄해야 합니다. 분쇄 후 형성된 혼합 입자는 여러 차례의 분류를 거쳐 플라스틱과 금속 조각을 제거하고 "흑색 화약"이라는 혼합물만 남긴 다음 고온 제련 또는 화학 침출을 거쳐 금속을 정제해야 합니다. 이 모델은 공정이 길고 에너지 소비와 비용이 높을 뿐만 아니라 대기 오염과 물 소비도 일정량 발생합니다.

코넬대 연구팀은 대부분의 전기차와 에너지저장시스템에서 리튬배터리 폐기의 주요 원인은 전극 본체의 물리적 파괴가 아니라 전극 표면의 고체전해질계면(SEI) 층의 과도한 성장이라고 지적했다. SEI는 전극 표면에 자연적으로 형성된 얇은 막으로, 배터리가 정상적으로 작동하는 데 꼭 필요하다. 그러나 수백 또는 수천 번의 충전 및 방전 후에도 이 층은 계속 두꺼워져 임피던스가 증가하고 용량이 감소합니다. 폐기된 수많은 배터리의 전극 골격은 여전히 ​​손상되지 않았으며 리튬, 니켈, 코발트, 망간, 구리 및 알루미늄과 같은 주요 재료가 포함된 두꺼운 SEI 층으로만 덮여 있습니다.

이러한 현상에 대응하여 과학 연구팀은 "직접 전극 간 재생"(줄여서 DEER)이라는 새로운 프로세스를 제안했습니다. 이 과정에서 사용한 전지는 더 이상 통째로 찌그러지지 않고 개봉되어 전극이 완전히 제거되어 집전체에 고정된다. 그런 다음 전극을 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논이 포함된 전기화학 용액에 담그고 용액이 전극의 벌크 구조를 유지하면서 지나치게 두꺼운 SEI 층을 선택적으로 용해할 수 있게 했습니다. 용해가 완료된 후에는 전극 표면에 얇은 불화리튬막만 남게 되어 계면을 안정화시키고 이후 SEI의 과도한 성장을 억제하는 데 도움이 됩니다. 이 "욕 재생" 처리 후 전극은 재사용을 위해 새 배터리에 직접 조립될 수 있습니다.

실험 결과에 따르면 DEER 공정으로 재생된 리튬 배터리는 원래 용량의 약 95%로 복원될 수 있으며 사이클 수명에서 더 나은 안정성을 나타냅니다. 프로젝트 리더이자 코넬대학교 화학공학과 교수인 Vibha Kalra는 이 방법은 전극을 분말로 분쇄하여 다시 준비하는 것이 아니라 기존 전극을 '현장 수리'하므로 배터리 재료의 재활용 경로가 크게 단축된다고 말했습니다. 팀은 미국 에너지부 산하 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)의 ReCell Center와 협력하여 개발된 오픈 소스 소프트웨어를 사용하여 프로세스의 기술 경제적 및 환경적 영향 평가를 수행했습니다. 분석 결과, DEER는 기존 재활용 경로와 비교하여 재활용 배터리의 제조 비용을 약 56% 절감하고, 유해한 대기 오염 물질 배출과 공정 용수 소비를 줄이며, 새로운 전극 생산의 제조 비용을 절감할 수 있는 것으로 나타났습니다.

연구원들은 다중 재생의 타당성을 추가로 테스트했습니다. DEER에 의해 재생된 후 다시 사용되어 용량 감소를 보인 "두 번째 수명" 배터리에서 팀은 재생을 위해 동일한 프로세스를 반복적으로 사용했습니다. 결과는 "제3의 수명" 배터리가 두 번째 재생 후에도 여전히 원래 용량의 약 90%를 유지할 수 있음을 보여 주며, 이는 이 전기화학욕 방법이 다중 사이클 수리 가능성이 있음을 나타냅니다. 현재 실험은 주로 SEI 층의 성장으로 인한 성능 저하에 초점을 맞추고 있으며, 다음 연구 단계는 리튬 손실과 같은 다른 유형의 배터리 노화 메커니즘으로 확장될 예정입니다.

Kalra는 현재 시험에 들어가는 중고 배터리의 상태가 약 70~80%이며 이는 전기 자동차 애플리케이션 시나리오에서 수명이 다한 배터리의 상태와 동일하다고 말했습니다. 향후 더 많은 열화 메커니즘을 복구할 수 있다면 이 기술을 통해 재생 배터리의 건강 상태 범위가 더욱 확대될 것으로 기대됩니다. 또한 팀은 대규모 에너지 인프라에서 이러한 재생 프로세스를 촉진하기 위해 산업용 등급 배터리 및 기타 대규모 리튬 이온 에너지 저장 시스템으로 적용 대상을 확대했습니다. 코넬대학교는 전기화학욕 재생 기술이 리튬 배터리 순환 경제의 핵심 고리가 되어 자원 활용 효율성을 향상시키는 동시에 재활용 시스템으로 인한 환경에 대한 부담을 줄일 것으로 기대하고 있습니다.