최진섭 교수팀, LFP 속 니켈·크로뮴 등 잔류 불순물 ‘성능 제어’ 메커니즘 규명
소량의 니켈은 충·방전 성능 높여, 크로뮴은 제어 전략 필요…고비용 정제 공정 대안 제시

인하대 연구팀이 폐(廢) 스테인리스를 고성능 배터리 소재로 재활용할 수 있는 새로운 설계 방향을 제시했다.

인하대 최진섭 이차전지융합학과 교수 연구팀은 폐스테인리스에서 추출한 철 기반 전구체로 리튬인산철(LFP/Lithium Iron Phosphate)  양극재를 합성했다고 밝혔다. 이와 함께 연구팀은 니켈과 크로뮴(크롬)이 전기화학적 성능에 미치는 영향도 함께 분석했다.

전기차와 에너지저장장치(ESS) 시장이 커지면서 배터리 소재 재활용 공정에서는 철 기반 전구체 내 불순물 관리가 핵심 과제로 떠오르고 있다. 재활용 과정에서는 여러 금속 성분이 함께 유입돼 니켈, 크롬 등이 잔류할 수 있다. 기존에는 고순도 정제 공정으로 이를 제거했지만 비용과 에너지 소비 부담이 컸다.

연구팀은 실험 분석과 밀도범함수 이론(DFT) 계산을 병행했다. 그 결과, 니켈과 크로뮴이 LFP 결정 구조에서 서로 다른 방식으로 작용한다는 점을 확인했다.

소량의 니켈은 LFP 결정 구조에 안정적으로 포함됐다. 전하 전달과 리튬 이온 이동을 촉진하는 효과가 나타났다. 빠른 충·방전 조건에서도 성능 유지에 긍정적으로 작용했다.

반면 크로뮴은 결정 구조 안에 안정적으로 포함되지 못했다. 산화물 형태의 비활성 상으로 분리됐다. 이로 인해 리튬 이온 이동이 방해받아 전기화학적 성능이 낮아지는 것으로 분석됐다.

니켈 함량이 약 1몰퍼센트(mol%)일 때 고율 성능과 구조 안정성의 균형이 가장 우수했다. 니켈 함량이 일정 수준을 넘으면 결정 구조 왜곡과 결함이 늘어 성능이 떨어졌다.

연구팀은 재활용 유래 철 전구체에 포함된 불순물의 구조적·전자적·전기화학적 영향을 종합 분석했다. 이를 토대로 재활용 기반 LFP 양극재 설계에 필요한 불순물 허용 기준을 제시했다.

이번 연구는 산업통상부의 ‘니켈·크롬 함유 폐스크랩 내 니켈·크롬 추출 및 소재화를 위한 신제련·추출 공정 기술 개발’ 사업으로 수행됐다. 또한 국제학술지 Advanced Science에 게재되기도 했다.

최진섭 교수는 “이번 연구는 어떤 불순물이 어느 수준까지 허용 가능한지를 체계적으로 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “앞으로는 불순물을 완전히 제거하는 방식보다 불순물 거동을 이해하고 관리하는 소재 설계 전략이 중요해질 것”이라고 말했다.