그러나 우리가 공통적으로 당면한 문제는 급증하는 배터리 수요를 충족시키기 위해 충분한 리튬과 다른 주요 광물들을 추출할 수 없다는 점입니다. 새로운 광산을 건설하기에는 비용이 너무나 많이 들고 채굴까지는 수년 간의 노력이 필요합니다. 또한 광산 채굴은 지역 수자원을 오염 시킬 수 있으며 인근 지역으로 유출되어 오염 등의 수많은 문제들을 야기할 수도 있습니다.
따라서 이런 문제점들을 해결하면서도 리튬이온 배터리를 사용하기 위해서는 배터리의 소재의 재활용 능력이 필수적이라 하겠습니다.
이런 이유로 최근 배터리 시장에서는 배터리 셀 생산에 버금가는 배터리 소재의 재활용에 관심이 높아지고 있습니다. 사실 그동안은 소재를 사용하여 배터리 셀을 생산할 경우 기존 제품보다 품질이 낮고 수명이 단축되어 전기자동차와 같은 이용 분야에서 제대로 적용할 수 없다라는 우려가 많았습니다.
그러나 줄(Joule)에서 발표한 새로운 연구에 따르면 리튬이온 배터리의 가장 비싼 구성 요소인 양극재는 세심하게 가공한 재활용 방법을 사용할 경우 처음 만들어진 양극 배터리만큼 성능이 좋을 수 있다고 합니다. 오히려 재활용 된 양극재로 만들어진 배터리는 더 오래 지속 될뿐 더러 더 빨리 충전 될 수 있습니다. 이번 줄에서 발표한 이 연구 결과는 매우 인상적이라고 할 수 있습니다.
우스터 폴리테크닉연구소에 '얀 왕'은 11년 전부터 배터리 재활용 연구를 시작했습니다. 향후 10년 동안 배터리 시장이 10배 성장할 것으로 예상하고 있으며 리튬이온 배터리를 재활용 하는 것은 배터리를 위한 공급망(SCM)차원에서 매우 중요한 일이라고 생각하고 있습니다.
배터리를 재활용하기 위해 사용되는 가장 일반적인 방법은 배터리 전체를 분해하여 모두 녹이거나 산에 용해 하는 것입니다. 그 결과 검은색 덩어리가 만들어지며 분말마다 특성이 달라져 화학원소나 간단한 화합물을 회수할 수 있게 됩니다. 그렇게 된 제품은 새로 채굴 된 원소가 양극을 만드는 것과 동일한 산업적 제조 공정을 거치게 됩니다.
왕과 그의 동료들은 기존의 방식과 유사한 공정을 사용하지만 배터리를 화학원소로 완전히 분해하는 것 대신에 양극에 중요한 조성물 일부를 그대로 유지하는 방식을 취합니다. 배터리를 파쇄한 후에는 더 저렴한 비트를 물리적으로 제거하고 별도로 재활용합니다. 그리고 나서 남은 대부분의 물질은 양극재인데 이것을 산에 녹인 다음 불순물을 제거하여 니켈과 코발트와 같은 양극을 구성하는 새로운 원소를 세심하게 참가하여 성분의 비율을 조정합니다. 특히 일반적인 재활용 방법과의 큰 차이점이라면 이 정련과정을 몇 단계 더 진행하여 양극재의 순도를 높이고 결정 사이즈를 줄이는데 있습니다.
배터리 소재의 재활용 시 배터리 소재에 혼합으로 이루어지기 때문에 구조나 구성이 약간이라도 바뀌면 성능이 저하되는 원인이 됩니다. 따라서 양극재는 처음 분말 입자를 어떻게 조작 하는가에 있다고 전문가들은 말합니다. 그러나 현재의 재활용 방법처럼 배터리 전체를 한 번에 녹일 경우 그 순수성이 훼손 되기 때문에 그 가치가 저하될 수 밖에 없는 것이죠.
왕의 연구팀이 추가적으로 발견한 사실은 재활용 양극재 분말의 입자와 상업적으로 제조 된 양극 분말의 입자를 비교했을 때 재활용 분말의 입자는 중앙에 큰 빈 공간이 있어 더 다공성 재질이라는 것을 알아낸 점입니다. 더 다공성이라는 의미는 필요한 화학반응이 있는 노출된 표면적이 더 크다라는 의미이고 이러한 특성으로 인해 리튬이온이 양극 결정 안으로 비집고 들어갈 수 있는 공간을 제공하여 살짝 부풀어 오르며 격자 구조의 균열을 야기하는데 이러한 균열들은 시간이 지남에 따라 배터리 성능을 저하 시키는 원인으로 작용한다고 합니다.
배터리가 친환경 부품으로 남기 위해서는 효율 및 용량 등 기술적인 발전 뿐만 아니라 소재의 리사이클링 기술 등 기술의 선순환 구조가 필수적이라고 하겠습니다.
앞으로도 배터리의 성능 발전 속도만큼 균형 있는 재활용 기술이 발전하기를 기대합니다.
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