EV는 흔히 친환경적인 것으로 간주되지만, EV에 사용되는 리튬 배터리는 제조 및 재활용에 자원을 많이 소모하는 것으로 악명 높습니다. 그러나 코넬 대학교 연구원들은 사용한 리튬 이온 배터리를 재활용하는 저렴하고 에너지 효율적인 방법을 개발했다고 주장합니다.
일반적인 재활용 과정에는 귀중한 원자재를 추출하기 위해 극심한 열과 가혹한 화학 물질을 사용하여 리튬 배터리를 분해하는 작업이 포함됩니다. 전통적인 재활용 방법은 고가의 배터리 관리 시스템을 포함한 모든 것을 파괴하여 리튬, 코발트, 망간, 니켈, 구리 및 알루미늄과 같은 원자재를 회수하기 위해 건식 야금 및 습식 야금과 같은 에너지 소모가 많은 공정을 사용합니다. 리튬 배터리는 일반적으로 새 용량의 약 70~80%에 도달하면 수명이 다한 것으로 간주되기 때문에 이는 낭비입니다. 이 상태에서도 전극과 같은 주요 구성 요소는 재충전/방전 주기 동안 화학 물질이 축적되어도 여전히 회수할 수 있습니다.
연구원들은 전체 배터리 셀을 파괴하지 않고 이 과정을 화학적으로 역전시키는 새로운 재활용 기술을 개발했습니다. 코넬 대학 연구진은 에너지 및 환경 과학(Energy and Environmental Science)에 발표된 연구 논문에서 이 프로세스를 직접 전극 간 재생(DEER)이라고 명명했습니다. 이 공정은 수명이 다한 리튬이온 배터리의 전극에 쌓인 고체 전해질 간기(SEI) 층을 화학적으로 제거해 배터리를 원래 용량의 95%로 되돌린다.
재생된 배터리는 이전보다 느리게 저하됩니다.
전통적인 리튬 배터리 재활용에는 전체 배터리를 “검은 덩어리”로 분쇄하여 원자재를 추출하는 것이 포함되지만, 새로운 DEER 기술은 대신 배터리 전극을 재생하는 데 중점을 둡니다. 배터리를 분해한 후 전극을 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논(DMI)이 포함된 전기화학 욕조에 담그면 전자의 통과를 방해하여 배터리의 전력 공급 능력을 방해하는 두꺼운 SEI 층을 제거하여 전극을 젊어지게 합니다.
이 프로세스는 간기 성장을 역전시킬 뿐만 아니라 후속 사이클에서 SEI 성장을 늦추는 얇은 불화리튬 층을 남깁니다. 연구원들은 또한 배터리 성능 저하가 처리되지 않은 성능 저하된 배터리의 경우 사이클당 0.072%에서 DEER를 통해 재생된 배터리의 경우 사이클당 0.042%로 감소했으며, 재생된 배터리는 성능 저하 속도가 증가하기 전에 800사이클이 소요된다는 사실을 발견했습니다. DEER는 두 번째 재생 주기를 통해 이전에 재충전된 배터리를 원래 용량의 90%로 되돌려 반복 가능합니다.
재생된 전극은 이제 새 배터리 팩에 재사용할 준비가 되어 있어 배터리 재활용이 자원 추출 문제에서 재활용 문제로 전환되었습니다. 이는 순환성 루프를 유지하는 데 필요한 시간, 노력 및 에너지를 크게 단축합니다. 물론 DEER가 과학자들이 제시한 배터리 재활용의 유일한 혁신은 아닙니다. 2025년 Worcester Polytechnic Institute 팀은 EV 배터리에서 99% 순수 리튬을 회수하는 습식 야금 재활용 프로세스를 선보였습니다.
이 기술은 EV 배터리 재활용 가능성을 보여줍니다.
유망한 결과에도 불구하고 이 새로운 DEER 재활용 접근 방식은 기존 리튬 이온 배터리 재활용 기술을 완전히 대체하지는 않습니다. DEER는 SEI 축적으로 인해 용량이 손실된 아직 작동 중인 배터리에만 유용하기 때문입니다. 리튬 손실, 입자 균열, 구조적 손상, 기계적 고장으로 인해 용량이 손실되거나 고장난 배터리에는 전통적인 재활용 방법이 필요합니다. 따라서 DEER 기술은 EV 배터리 재활용에만 국한된 것으로 보이며, 배터리의 70~80%는 이미 수명이 다한 것으로 간주됩니다.
그러나 EV 애플리케이션에도 어려움이 있습니다. 분해하지 않고 전극을 재생하기 위해 DMI 전해질을 전지에 직접 주입함으로써 공정을 단순화하려는 연구진의 시도는 좋지 않은 결과를 낳았습니다. 따라서 DEER에서는 사용한 배터리 전극을 제거, 처리 및 세척해야 합니다. 복잡한 프로세스는 실험실 조건에서는 잘 작동하지만 이를 대규모로 안정적으로 복제하는 것은 쉽지 않습니다.
즉, 연구진은 DEER 재활용 전지의 비용이 기존 건식 야금 및 습식 야금 재활용 방법의 경우 kg당 26.31달러인 데 비해 kg당 15.25달러가 될 것으로 추정합니다. DEER 재활용 비용의 약 63%를 차지하는 값비싼 DMI 솔루션의 재활용이 계산에 포함되지 않았기 때문에 해당 비용을 더욱 절감할 수 있습니다. 따라서 DMI 복구는 실험실에서 기술이 성숙해짐에 따라 비용을 낮추게 됩니다. DEER의 적용은 틈새시장처럼 보이지만, EV를 널리 채택하면 현실 세계, 특히 EV 배터리 재활용이 심각한 문제를 안고 있는 중국과 같은 국가에서 실현 가능해질 수 있습니다.
