Toray Engineering이 LiB(리튬이온전지)용 양극활물질 리사이클 신기술 개발에 속도를 내고 있다.
Toray Engineering은 자원순환사회 실현을 위해 사용 후 LiB용 3원계 양극활물질의 혁신적인 리사이클 기술 창출에 박차를 가할 방침이다.
고에너지밀도 LiB는 활물질로 코발트, 니켈 등 희귀금속을 포함하는 3원계 양극재를 주로 사용하며 LiB 리사이클 시장규모는 2022년 61억달러(약 8조8871억원)에서 2029년 324억달러(약 47조2036억원)으로 성장할 것으로 예상된다.
현재 양극활물질 리사이클 기술은 용액화를 거쳐 희귀금속을 분리·회수하는 습식 제련법이 확립돼있으나 번거롭고 코스트가 높으면서 결정구조를 파괴해 부가가치가 하락하는 문제 때문에 최근 결정구조를 유지할 수 있는 플럭스(용제)를 이용한 재생법에 대한 연구가 이루어지고 있다.
Toray Engineering은 현재 신슈(Sinshu)대학과 공동으로 플럭스로 용질을 용해한 다음 플럭스를 증발시켜 용질을 재결정화하는 리사이클 기술 확립에 주력하고 있다.
방전용량이 열화된 양극활물질은 충·방전에 작용하는 리튬이온이 결손되는데 Toray Engineering은 특정한 액체가 지배적인 액상 반응장에서의 가열재생이 리튬이온 수복을 위한 이상적인 방법으로 판단하고 있다. 실제로 섭씨 300도 무기염을 이용한 리튬이온 재생 사례 등이 보고된 것으로 알려졌다.
다만, 300도는 LiB 양극에서 활물질과 전극을 고정하는 바인더 소재의 분해온도와 가까워 양극 시트 유지와 리사이클을 함께 실현하기 위해서는 저온화가 필요하다.
Toray Engineering은 플럭스 소재로 상온부터 300도까지의 온도 범위에서 용매로 이용할 수 있으면서 산화물을 용해 가능한 이온 액체에 주목했다.
신슈대학과 공동으로 리튬이온이 결손된 NCM(니켈·코발트·망간) 3원계 양극활물질을 시험 제작한 다음 150도 저온 이온 액체로 리튬이온을 재생했으며, 재처리 전후 양극활물질의 입자 해석과 LiB 배터리 특성 평가 등을 실시한 결과 시험용 활물질은 방전용량이 그램당 100mAh로 170mAh인 비결손 비교군보다 크게 낮았으나 이온액체를 적용한 다음 130mAh로 증가했다.
연구팀은 이온 액체가 만드는 액상이 리튬원의 균일 확산 및 반응 균일화를 일으켜 리튬이온을 재상한 것으로 추측하고 있다.
Toray Engineering은 폐기량이 해마다 증가하는 LiB 재생 니즈에 대응하기 위해 계속해서 고품질 리사이클 기술 연구개발(R&D)을 강화할 방침이다. (윤)