폐스테인리스 기반 양극재 설계 기준 제시
1몰퍼센트 니켈서 성능 균형 최적화
인하대가 폐스테인리스 자원을 활용해 리튬인산철(LFP) 양극재를 합성하고, 재활용 배터리 소재에 남는 니켈·크롬 불순물의 영향 차이를 규명했다.
인하대는 최진섭 이차전지융합학과 교수 연구팀이 폐스테인리스에서 나온 철 기반 전구체로 LFP 양극재를 합성하고, 니켈과 크롬이 전기화학적 성능에 미치는 영향을 분석했다고 12일 밝혔다.
전기차와 에너지저장장치(ESS) 시장 확대에 따라 배터리 소재 재활용 공정에서는 철 기반 전구체 내 불순물 관리가 주요 과제로 꼽힌다. 실제 재활용 과정에서는 여러 금속 성분이 함께 유입돼 니켈, 크롬 등이 남을 수 있다. 기존에는 고순도 정제 공정으로 이를 제거했지만 비용과 에너지 소비 부담이 컸다.
연구팀은 실험 분석과 밀도범함수 이론(DFT) 계산을 병행해 니켈과 크롬이 LFP 결정 구조에서 서로 다르게 작용한다는 점을 확인했다.
분석 결과 소량의 니켈은 LFP 결정 구조에 안정적으로 포함돼 전하 전달과 리튬 이온 이동을 촉진했다. 빠른 충·방전 조건에서도 성능 유지에 긍정적으로 작용했다.
반면 크롬은 구조 안에 안정적으로 포함되지 못하고 산화물 형태의 비활성 상으로 분리됐다. 이 경우 리튬 이온 이동이 방해돼 전기화학적 성능이 낮아지는 것으로 분석됐다.
연구팀은 니켈 함량이 약 1몰퍼센트(mol%)일 때 고율 성능과 구조 안정성의 균형이 가장 우수하다는 점도 확인했다. 니켈 함량이 일정 수준을 넘으면 결정 구조 왜곡과 결함이 늘어 성능이 떨어졌다.
이 연구는 재활용 유래 철 전구체에 포함된 불순물의 구조적·전자적·전기화학적 영향을 함께 분석했다. 연구팀은 이를 바탕으로 재활용 기반 LFP 양극재 설계에 필요한 불순물 허용 기준을 제시했다.
연구는 산업통상부의 '니켈·크롬 함유 폐스크랩 내 니켈·크롬 추출 및 소재화를 위한 신제련·추출 공정 기술 개발' 사업으로 수행됐다.
최진섭 교수는 “이번 연구는 어떤 불순물이 어느 수준까지 허용 가능한지를 체계적으로 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “앞으로는 불순물을 완전히 제거하는 방식보다 불순물 거동을 이해하고 관리하는 소재 설계 전략이 중요해질 것”이라고 말했다.
연구 결과는 2024년 JCR 기준 영향력지수(Impact Factor) 14.1의 국제학술지 'Advanced Science'에 게재됐다.
인천=김동성 기자 estar@etnews.com
