극한환경 지능형 이차전지
전략연구단

고체전해질은 전고체전지 안에서 리튬 이온이 지나다니는 길입니다. 가넷계 세라믹(LLZTO)은 불에 타지 않아 안전하지만, 1,200℃로 구울 때 리튬과 산소가 날아가 격자에 '빈자리'가 생기고, 이 빈자리가 리튬 금속과 만나는 면을 망가뜨려 수명을 깎습니다.

본 기술은 펠릿과 주변 파우더의 리튬 함량을 다르게 두어(펠릿 20wt% · 파우더 10wt% 과잉) 리튬·산소가 풍부한 분위기를 만들고, 빈자리가 생기는 것 자체를 억제합니다. 중성자 회절로 리튬 점유 6.5 pfu 이상, 산소 빈자리 0.02 pfu 이하를 확인했습니다.

LFP(리튬인산철)는 값싸고 안전해 전기차·ESS에 널리 쓰이는 양극재입니다. 그런데 비싼 금속(니켈·코발트)이 없어, 강산에 녹여 금속을 뽑아내는 기존 습식 재활용으로는 수지가 맞지 않아 재활용이 잘 되지 않는 문제가 있었습니다.

본 기술은 폐 LFP 양극재를 염소 기체와 200℃ 이하에서 반응시켜 리튬만 염화리튬(LiCl)으로 바꿔 분리·회수합니다. 강산 침출과 복잡한 정제 없이 진행되며, 남은 FePO₄와 회수한 리튬으로 LFP를 다시 합성합니다.

NCM은 니켈·코발트·망간으로 만든 전기차용 고용량 양극재입니다. 기존 습식 재활용은 강산에 통째로 녹인 뒤 금속을 하나씩 분리하는데, 리튬은 맨 마지막에 회수되어 손실이 크고 순도가 낮았습니다.

본 기술은 폐 NCM 양극재를 염소 기체와 저온에서 반응시켜 리튬을 염화리튬(LiCl)으로 먼저 분리하고, 남은 니켈·코발트·망간을 회수해 양극재로 재합성합니다. 강산 침출 없이 유가금속을 단계적으로 분리하며, 재합성 NCM의 충·방전 특성을 코인셀로 검증했습니다.

니켈 비율을 높인 하이니켈 양극재는 더 많은 전기를 담지만, 합성 과정에서 원자 수준의 결함이 자라나 나노미터 크기의 구멍(기공)이 되고, 이것이 미세 균열의 씨앗이 되어 수명을 줄입니다.

본 기술은 전구체(LiOH + TM(OH)₂)를 본 소결 전에 200~300℃에서 1차 저온 소결(전처리)한 뒤 기존과 같은 2차 소결을 진행해 결함 생성을 억제합니다. 소각 산란으로 나노 결함을 숫자로 재어 제어하며, 공융(eutectic) 리튬염을 쓰면 더 낮은 온도에서도 결함이 최소화됩니다.

하이니켈 양극재는 구울 때 니켈이 환원되지 않도록 값비싼 고순도 산소를 계속 흘려야 했습니다. 수명을 늘리려 도핑·코팅을 더하면 이번에는 담을 수 있는 전기(에너지밀도)가 줄어드는 딜레마도 있었습니다.

본 기술은 낮은 합성 온도에서 리튬 함량과 산소 분압을 제어해, 전체 조성은 그대로 두면서 입자 중심에서 표면으로 갈수록 리튬이 점점 많아지는 2차 입자를 만듭니다. 표면의 리튬 과량층이 구조 열화를 막아 고순도 산소 없이 일반 공기로도 높은 용량과 긴 수명을 동시에 확보합니다.