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폐배터리 처리에 관한 관심이 높아지는 가운데 폐배터리의 양극재를 차세대 이차전지의 촉매로 재활용할 수 있다는 흥미로운 연구 결과가 나왔다.

국립부경대학교 고민성 교수(금속공학전공) 연구팀은 폐리튬이온전지 양극재를 이용, 화재 위험성이 없어 차세대 대용량 에너지 저장장치로 주목받고 있는 바나듐 레독스 흐름전지의 고속 충·방전 특성을 향상하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.

▲ 고민성 교수(오른쪽)와 연구팀

바나듐 레독스 흐름전지의 전극은 반응이 일어나는 곳으로, 전지 성능에 중요한 역할을 한다. 전극에는 탄소물질이 주로 사용되지만, 가역성(어떤 상태로 변했다가 본 상태로 되돌아가는 성질)이 낮아 충·방전 시 전지 성능이 저하되는 문제점이 있다.

이 같은 문제를 해결하고 전지의 성능을 높이기 위해 전극의 반응속도를 높이는 촉매를 적용하는데, 고민성 교수팀은 폐리튬이온전지의 양극재를 그 촉매로 쓴 것이다.

연구팀은 폐리튬이온전지 양극재가 반복적인 충·방전에 의해 전자구조가 변화되고 산소 공공(空孔·vacancy)의 수가 증가한 상태라는 점에 주목했다.

완전 전지(full cell) 평가에서 촉매가 적용되지 않은 전극의 경우 높은 저항에 의해 281회의 고속 충·방전 이후 급격한 용량 저하를 나타냈다. 반면 촉매가 적용된 전극의 경우 폐리튬이온전지 양극재 특성이 반응물들의 산화환원 반응 시 저항을 크게 감소시켜 1,000회 이상 고속 충·방전을 가능하게 했다.

고민성 교수 연구팀은 미국 로렌스 버클리 국립연구소(LBNL) 장해성 박사와 공동 연구를 진행하고, 폐리튬이온전지 양극재를 탄소전극의 촉매로 적용해 높은 가역성과 향상된 고속 충·방전 특성을 갖춘 바나듐 레독스 흐름전지를 학계에 보고했다.

고 교수는 “이번 연구는 고속 충·방전 바나듐 레독스 흐름전지 개발은 물론, 폐리튬이온전지 양극재를 활용한 촉매설계에 기여하고, 폐리튬이온전지 발생량이 급증할 것으로 전망되는 상황에서 촉매로서의 재활용 방안을 제시해 자원순환 효과도 기대할 수 있다.”라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 이루어졌으며, 재료·에너지 분야 국제학술지인 <Journal of Materials Chemistry A> (IF=12.732)에서 우수성을 인정받아 2022년도 ‘주목할 논문(Hot paper)’으로 뽑힌 데 이어, 지난 9월 28일 36호의 표지 논문으로도 선정됐다.