헹구고 반복하세요: 배터리를 재활용하는 쉽고 새로운 방법이 등장했습니다

Jul 25, 2023

리튬 이온 배터리는 전자 제품에 혁명을 일으키고 청정 에너지로의 전환을 가속화했습니다. 이러한 배터리는 21세기 생활의 필수적인 부분이 되었지만 2050년 이전에 고갈될 위험에 처해 있습니다. 각 배터리에 사용되는 주요 요소인 리튬, 니켈, 코발트 금속 및 흑연은 점점 부족해지고 비싸지고 있습니다. 나머지 국제 공급망 중 일부에 대한 환경 감독이나 공정 노동 감독은 거의 없습니다.

우리가 이미 발굴한 재료를 재사용하기 시작하고 배터리 생산 공정을 모두에게 더 안전하고 공평하게 만들어야 할 필요성이 시급합니다. 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)의 과학자 팀은 두 가지 측면을 모두 확인할 수 있는 수상 경력에 빛나는 새로운 배터리 소재를 발명했습니다. Quick-Release Binder라고 불리는 이 회사의 제품을 사용하면 리튬 이온 배터리의 귀중한 재료를 다른 구성 요소에서 분리하고 새 배터리에서 재사용할 수 있도록 복구하는 것이 간단하고 저렴합니다.

Berkeley Lab 에너지 기술 분야의 수석 과학자이자 Berkeley Lab 에너지 저장 센터 회원인 프로젝트 리더인 Gao Liu는 "우리는 배터리 재활용이 필수 사항이라는 점에 도달하고 있습니다."라고 말했습니다. “우리가 그것들을 태우고 쓰레기통에 버리는 것을 멈추지 않는다면, 앞으로 10년 안에 자원이 고갈될 것입니다. 그렇지 않으면 시장이 요구하는 배터리 수를 따라잡는 것이 불가능합니다. 코발트도, 니켈도 부족해서 재활용해야 합니다.” Quick-Release Binder로 만든 배터리는 개봉하여 실온의 알칼리수에 넣고 가볍게 흔들어 주기만 하면 됩니다. 분리된 성분은 물에서 쉽게 걸러지고 공기 건조됩니다.

이는 먼저 배터리를 파쇄하고 분쇄한 다음 이를 태워 금속을 다른 구성 요소와 분리하는 현재의 리튬 이온 재활용과는 뚜렷한 대조를 이룹니다. 재활용 회사는 프로세스를 최대한 효율적으로 만드는 것을 목표로 하지만 대부분 배터리의 과거 및 현재 설계로 인해 요소를 복구하는 것은 여전히 ​​에너지 집약적이고 비용이 많이 들고 신중하게 관리해야 하는 독성 화학 물질을 방출합니다.

팀원(왼쪽 상단부터 시계 방향) Robert Kostecki, 에너지 저장 및 분산 자원 사업부 이사; Gao Liu, Liu Lab 수석 조사관; Chen Fang, 박사후 연구원; Muhammad Ihsan Ul Haq, 박사후 연구원 (제공: Marilyn Sargent/Berkeley Lab)

Berkeley Lab 에너지 저장 센터의 Liu와 그의 팀은 Quick-Release Binder를 만들 당시 개발 중인 기존 리튬 이온의 가능한 대안 중 하나인 리튬-황 배터리를 연구하고 있었습니다. 리튬-황 배터리는 희귀한 코발트 없이 만들 수 있고 리튬 이온보다 이론적 에너지 밀도가 더 높기 때문에 배터리 연구 개발 분야에서 뜨거운 개념입니다. 그러나 배터리가 상업적으로 채택되기 전에 해결해야 할 기능적 문제가 많이 있습니다. Quick-Release 바인더는 Li-S 배터리를 쉽게 재활용할 수 있도록 하며 주요 성능 문제 중 하나를 해결하는 것으로 보입니다. 이 발견은 그 자체로 매우 흥미롭지만 Liu 연구실의 박사후 연구원인 Chen Fang은 새로운 바인더 재료가 훨씬 더 큰 잠재력을 가지고 있다는 것을 깨달았습니다. 즉, 이 재료는 오늘날의 리튬 이온 배터리에도 사용될 수 있습니다.

바인더는 우리가 가정용품에 사용하는 리튬 이온 및 알칼리 전지를 포함하여 대부분의 배터리 유형에 사용되는 접착제 같은 물질입니다. 배터리에는 전류를 생성하는 전도성 화학 물질과 일관되고 내구성 있는 성능을 위해 활성 성분을 제자리에 고정하는 구조 재료로 만들어진 양극으로 충전된 음극과 음극으로 충전된 양극이라는 두 개의 전극이 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이 바인더는 이러한 성분을 함께 묶어 배터리의 구조를 유지하는 데 도움이 됩니다.

새로운 Quick-Release 바인더는 두 가지 상용 폴리머인 폴리아크릴산(PAA)과 폴리에틸렌이민(PEI)으로 만들어지며, 이들은 PEI의 양전하를 띤 질소 원자와 PAA의 음전하를 띤 산소 원자 사이의 결합을 통해 결합됩니다. 고체 결합제 재료를 수산화나트륨(Na+OH-)이 함유된 알칼리수에 넣으면 나트륨 이온이 결합 부위로 튀어나와 두 폴리머가 분리됩니다. 분리된 폴리머는 액체에 용해되어 내부에 내장된 전극 구성 요소가 자유롭게 됩니다.