고율속 바나듐 레독스 흐름전지를 위한 결함이 풍부한 폐리튬이온전지물질 기반 전기촉매

Abstract

리튬이온배터리를 탑재한 전기차 시장이 급격히 성장하고 있으며, 리튬이온배터리의 수명을 고려했을 때 가까운 미래에 폐리튬이온배터리의 급증이 예상되면서 폐리튬이온배터리 재활용에 대한 관심이 커지고 있다. 그러나 기존의 재활용 방법은 가치있는 금속에 대한 회수에 집중하고 있으며 그 과정은 길고 복잡하여 환경적 경제적 악영향을 발생시킨다. 여기서 우리는 폐리튬이온배터리 양극재를 바나듐 레독스 흐름전지 (Vanadium redox flow battery, VRFB) 전극의 촉매로 사용하는 새로운 재활용 전략을 검토한다. VRFB 전극으로 사용되는 탄소 물질은 낮은 전기화학적 가역성을 가지고 있으며 이를 해결하기 위한 방법으로 전이금속 산화물 촉매를 적용하는 연구들이 많이 진행되어왔다. 폐리튬이온배터리 양극재는 전이금속 산화물이며 전이금속의 가변적인 산화수로 인한 산화환원 반응의 용이함, 금속 기반 촉매와 비교 시 저렴한 가격, 자원확보의 용이함, 산에 대한 높은 저항성을 갖춰 탄소 전극 촉매로 적합하다. 폐리튬이온배터리 속 양극재를 코인셀로 제조하여 전기화학적 충방전으로 인한 내부의 물질 특성 변화를 조사하고, 전기화학 테스트를 통해 물질 내의 내적 변화와 향상된 촉매 활성의 연관성을 확인한다. VRFB 단일전지 시험을 고전류밀도인 300 mA cm-2 에서 실시하여 GF 전극을 사용한 단일전지는 281회의 충방전 후 방전용량이 급격히 감소하고 폐리튬이온배터리 양극재인 LiFePO4 (Lithium iron phosphate, LFP)는 충방전을 1000회까지 진행한다. 연구에서 제시된 재활용 전략은 자원순환과 고율속 VRFB를 동시에 이룰 수 있는 새로운 폐리튬이온배터리 양극재 재활용 전략으로 사용될 수 있을 것이다.