한국에너지공과대학교(KENTECH·총장직무대행 박진호)는 서동한 교수팀이 최신호 한국에너지기술연구원(KIER) 센터장 연구팀과 공동으로 폐배터리에서 고부가가치 소재인 니켈·코발트·망간(NCM) 등 양극 활물질과 알루미늄 포일을 동시에 회수할 수 있는 획기적인 친환경 플라즈마 기반 직접 재활용 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
최근 전기차 시장의 확대로 리튬이온 배터리 수요가 폭증하면서 폐배터리 재활용은 산업계의 핵심 과제로 떠올랐다. 하지만 기존의 고온 건식 제련이나 습식 제련 방식은 막대한 에너지 소모와 산성 폐수 등의 한계를 안고 있었다.
연구팀은 반도체 세정 공정에서 주로 쓰이는 저온 플라즈마에 주목했다. 전극 표면에 플라즈마를 처리하면 생성된 이온과 라디칼이 전극 내부를 강하게 결속하고 있는 불소계 바인더(PVDF)의 화학적 결합(C-F)만을 선택적으로 끊는다는 점에 착안했다. 전극을 녹이거나 부수지 않고도 소재를 자연스럽게 분리할 수 있는 혁신적인 메커니즘을 완성했다.
성능 면에서도 높은 효율을 입증했다. 회수된 양극재(R-NCM)를 활용해 제조한 파우치셀 배터리를 테스트한 결과, 상온에서 300회의 충·방전 사이클 이후에도 새 양극재를 사용한 배터리(96.2%)와 유사한 95.7%의 높은 용량 유지율을 기록했다. 이는 회수 과정에서도 소재의 물리화학적 결정 구조가 안정적으로 유지됐음을 보여준다.
특히 이번 기술은 2차 환경 오염을 유발하는 강산이나 유독성 유기 용매를 전혀 사용하지 않으며, 공정에 사용된 용액을 지속적으로 재사용할 수 있어 대량 생산및 상용화에 최적화됐다. 기존의 고온 가열 단계를 저온 플라즈마 공정으로 대체해 공정 에너지 소모 문제까지 해결했다.
연구팀은 “이번 플라즈마 기반 공정은 기존 배터리 재활용이 안고 있던 높은 에너지 소비와 환경오염 문제를 원천적으로 차단하는 기술”이라며 “고순도 소재의 동시 회수와 용액의 반복 재사용이 가능해 글로벌 배터리 순환 경제를 실현할 핵심적인 상용화 기술로 발전할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구는 서 교수와 최 센터장이 공동 교신저자로 참여했으며, 이소영 KENTECH 박사과정, KIER 진우영 선임연구원과 권오준 연구원이 공동 제1저자로 연구를 주도했다.
과학기술정보통신부 산하 과학기술연구위원회(NST) 및 기후에너지환경부 산하 한국에너지기술평가원(KETEP) 등의 지원을 받아 수행했으며, 화학공학 분야의 권위 있는 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'에 최근 게재됐다.
전남광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
