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폐 CFRP 고분자를 활용한 나트륨이온배터리 음극 소재 개발
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신기술 소개
작성일
2026-02-23
조회수
120
첨부파일

폐 CRFP 고분자를 활용한 나트륨이온배터리 음극 소재 개발

 



RAMP융합연구단 최용석 박사

RAMP융합연구단 조세연 박사

 

   탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 가볍고 강도가 뛰어난 고성능 복합재로, 항공우주·모빌리티·에너지 등 다양한 산업 분야에서 폭넓게 활용되고 있다. 최근 산업 전반에서 경량화와 고강도 소재에 대한 수요가 증가하면서 CFRP 사용량도 꾸준히 확대되고 있으며, 이에 따라 폐 CFRP 발생량 역시 지속적으로 늘어나고 있다. 이러한 흐름 속에서 CFRP 재활용 기술의 중요성도 점차 커지고 있다.

   하지만 현재까지 CFRP 재활용 연구는 대부분 고가의 탄소섬유를 분리해 회수하는 기술에 집중되어 있다. 이 과정에서 함께 분리되는 고분자 매트릭스는 활용도가 낮아 대부분 폐기되는 경우가 많았으며, 이를 재활용하려는 연구는 상대적으로 제한적인 상황이다.

   한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 RAMP융합연구단 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해, 폐 CFRP에서 회수된 고분자 성분을 활용해 배터리용 탄소 음극 소재로 전환하는 연구를 수행했다. 연구팀은 CFRP에 사용되는 에폭시 기반 고분자를 출발 물질로 삼아 탄화 공정 조건을 정밀하게 조절함으로써, 전기화학적 성능이 우수한 탄소 소재를 제조하는 데 성공했다.

   이번 연구는 기존의 탄소섬유 회수 중심 재활용 방식에서 한 단계 더 나아가, 복합재를 구성하는 고분자 성분까지 자원으로 활용할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 이를 통해 향후 폐 CFRP 처리 문제 해결과 함께 배터리 소재 분야로의 응용 확대 등 자원 순환 기반 산업화 가능성이 기대된다.




[그림 1] 폐고분자 기반 나트륨이온배터리 음극소재 제조 공정 모식도


[그림 2] 결정 및 기공 특성이 제어된 폐플라스틱 기반 탄소소재


   에폭시 기반 고분자는 탄소 외에도 다양한 원소를 포함하고 있어, 안정화 및 탄화 공정에서 열처리 조건에 따라 휘발성 성분과 이종 원소가 제거되면서 내부 구조가 변화하는 특성을 가진다. 이 과정에서 탄소 구조 내부에 미세한 기공이 형성되거나 탄소 배열이 불균질해질 수 있으며, 이는 최종 탄소 소재의 특성을 결정하는 중요한 요소로 작용한다.

 

   KIST 연구팀은 이러한 고분자의 열분해 특성을 활용해, 별도의 활성화제나 복잡한 후처리 공정 없이도 탄소 구조의 변화를 유도할 수 있음을 확인했다. 또한 탄화 공정 조건을 조절함으로써 폐고분자 기반 탄소체의 구조적·화학적 특성을 체계적으로 제어할 수 있다는 점을 입증하였다.

   제조된 폐고분자 기반 탄소 소재는 나트륨이온배터리 음극 소재로 적용되어 성능 평가를 진행했다. 해당 소재는 비정질 구조와 기공 구조가 함께 존재하는 하드카본 특성을 나타냈으며, 이는 나트륨 이온을 저장하는 데 유리한 구조로 알려져 있다. 전기화학 평가 결과, 반복적인 충·방전 조건에서도 안정적인 용량 유지 특성을 보였고, 장시간 사용에도 우수한 수명 특성이 확인되었다. 또한 고율로 구동하는 조건에서도 구조적 안정성이 유지되어 실제 배터리 응용 가능성을 보여줬다.

   나트륨이온배터리는 리튬이온배터리의 한계로 지적되어 온 리튬 자원 편중과 공급망 불안정 문제를 완화할 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 나트륨은 자원 매장량이 풍부하고 가격 경쟁력이 높아 차세대 에너지 저장 시스템으로의 활용 가능성이 크며, 특히 대규모 에너지저장장치와 중·저가형 배터리 분야에서 적용 가치가 높은 기술로 평가된다.

   본 연구는 CFRP 재활용 과정에서 상대적으로 주목받지 못했던 고분자 매트릭스를 고부가가치 에너지 소재로 전환했다는 점에서 의의가 있다. 이는 기존의 탄소섬유 중심의 재활용 방식에서 한 단계 더 나아가 복합재 전체를 대상으로 한 자원 순환 전략으로 확장 가능성을 보여준다. 이번 성과는 향후 친환경 배터리 소재 개발과 복합재 재활용 기술 고도화에 기여할 것으로 기대된다.



 

[그림 3] 폐플라스틱 기반 탄소소재의 전기화학 특성 분석

 

 



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