고용량, 고안정성의 리튬이처전지용 양극소재 개발

지구 온난화에 대한 우려가 커지면서 전기자동차에 대한 관심도 커지고 있다. 이러한 전기자동차에 필요한 중요 부품중 하나가 리튬이온 이차전지다. 핸드폰이나 노트북 같은 소형 정보통신기기에 쓰였던 리튬이온 이차전기의 에너지 밀도를 높여 자동차에 탑재하면서 전기자동차의 새로운 활로를 개척하게 된 것이다. 이를 위해 한양대 선양국 교수는 리튬이차 전지에 사용되는 신개념 양극 소재를 개발해 주목받고 있다.

선양국 교수 연구팀은 ‘농도구배 복합층 구조를 갖는 리튬이온 이차전지 양극 소재’를 개발했다. 연구 9년만의 값진 성과다. 리튬이차전지는 현재 이차전지 시장에서 대부분을 차지하는 전지로서 한 번 쓰고 버리는 일차전지와 달리 외부전원을 이용해 충전해서 반영구적으로 사용하는 전지로 우수한 안전성과 높은 용량을 동시에 구현할 수 있다. 특히 선 교수의 연구팀이 개발한 이차전지 양극 소재는 바로 상용화가 가능해 모바일 기기, 노트북 등에 적용되는 소형 전지뿐만 아니라 전기자동차, 신재생 에너지 저장장치 등에 적용되는 중대형 전지개발에 새로운 길이 열렸다는 평을 받고 있다.

대부분의 이차전지 양극소재 제조 시 사용되는 공침법을 사용해 바로 상용화가 가능한 것이다. 이 기술은 국내 대기업과 중소기업으로부터 기술력을 인정받아 기술실시 계약을 체결, 양산기술을 확보했으며 현재 최종 테스트가 진행 중이다. 이로써 세계 선도 기업에 비해 원천 기술이 부족한 국내 기업의 한계를 극복하고 글로벌 수준의 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 보인다. 뿐만 아니라 친환경적인 이점으로 인해 정부가 추진하는 녹색성장 전략을 실현화할 수 있는 핵심 기술의 하나로 주목받고 있다.

선 교수는 “국가 기술과 경제 발전에 이바지 하고 CO2배출량 감소뿐 아니라 신재생 에너지의 개발을 앞당겨 친환경적 에너지 공급확대를 통한 시장 창출과 일자리 창출효과가 있을 것으로 기대 된다”고 전했다.

선 교수가 주도한 이 연구는 교육과학 기술부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업과 지식경제부와 한국에너지기술평가원이 추진하는 에너지인력양성사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 네이처의 대표적 자매지이자 물리 및 재료과학 분야에서 세계 최고 권위의 학술지인 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)에 게재되기도 했다. (논문명 : Nanostructured high-energy cathode materials for advanced lithium batteries)

그는 “리튬이차전지는 현재 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등 휴대용 모바일 기기에 폭넓게 사용되고 있고 최근에는 하이브리드 전기자동차와 지능형 로봇의 동력원뿐만 아니라 태양광, 풍력발전 등 신재생 에너지 전력저장용 중대형 전지시스템으로 활용된다”며 “그러나 국내외에서 심심치 않게 발생하는 배터리 폭발사고와 배터리 공장 폭발사고 등과 같은 안전성의 문제가 여전히 남아있고, 중대형 전지시스템에 적용하기 위해서는 에너지 밀도를 높이는 문제뿐만 아니라 우수한 안전성을 확보하는 문제가 중요한 이슈로 제기되고 있다”고 말했다.

에너지 효율적 사용 가능케 하는 신개념 기술 개발

최근 전 세계적으로 ‘녹색성장’이 화두다. 에너지와 자원을 절약하고 효율적으로 사용함으로써 기후변화와 환경훼손을 줄이고 청정에너지 개발과 녹색기술을 연구해 새로운 성장 동력을 확보하고자하는 것이다. 각국은 이를 통해 일자리를 창출하고 경제와 환경이 조화를 이루는 성장을 추구하고 있다. 지구온난화와 에너지위기, 신성장 동력 창출의 필요성 등은 녹색성장을 추진할 수밖에 없도록 만들었고 특히 세계 10대 에너지 소비국임에도 불구하고 대부분의 에너지원을 해외에서 수입하는 우리나라의 경우, 이러한 경제구조를 극복하고 미래에 대처하기 위해 녹색성장과 에너지의 개발과 효율적 사용이 더욱 중요하다.

선 교수는 “이 기술로 전기 자동차의 상용화 시점을 앞당겨 유류 사용을 감축하고 저탄소 녹색성장을 주도할 수 있을 것이다”고 말하며 “신재생 에너지의 전력 저장 장치로 사용이 가능해 안정적 에너지 공급을 가능케 국가 전력 평준화에 기여하고 스마트 그리드에 필요한 대용량 전력 저장 시스템의 활용으로 에너지 효율을 최적화 할 수 있다”고 자랑했다. 또한 그는 “(주)포스코ESM, (주)에코프로 등 국내 다양한 기업과 기술실시 계약을 체결해 기술 이전을 실시하고 있으며 고부가가치 상품개발, 전기자동차, 태양, 풍력 등 신재생에너지 사업과 같은 그린에너지사업의 보급과 활성화에 기여함으로써 신규 산업, 고용창출, 원천기술 확보를 통한 국가 경쟁력 강화 등의 효과도 가져올 것으로 보인다”고 전했다. 

성능은 물론 안정성 갖춰, 바로 상용화 가능

선 교수 연구팀이 개발한 농도구배 복합층 구조를 갖는 리튬이온 이차전지 양극소재는 고용량, 고안전성을 가지며 기존에 상용화된 리튬이차전지 양극소재보다 우수한 성능을 가지고 있다. 고용량 특성의 양극 소재와 고안전성의 양극소재를 한 입자 내에 구현하기 위한 코어-셀 구조(2006년, 미국화학회지), 농도 구배형 구조(2009년 네이처 머티리얼즈)의 양극 소재를 개발하기도 한 바 있는 선 교수 연구팀은 장기 구동 시 발생할 수 있는 입자 내 구조적 결함을 완벽하게 보완할 수 있는 구조인 입자 중심에서 최외각까지 순차적으로 전이금속의 농도 구배를 지니는 전체 농도구배 복합층 구조의 양극소재를 개발했는데, 이렇게 개발된 신개념 양극 소재는 현재 양극소재 제조 공정으로 널리 이용 중인 공침법을 이용한 것이다.

공침법이란 여러 가지 서로 다른 이온들을 수용액 혹은 비수용액에서 동시에 침전시키는 방법으로 현재 리튬이차전지용 양극 소재를 생산하는 산업현장에서 가장 많이 사용되는 방법이다. 기존 리튬이차전지용 양극 소재인 LiCoO2, 삼성분계(Li[NiCoMn]O2) 양극 소재(약 470Wh/kg)보다 안정성, 에너지 밀도 및 전지용량을 동시에 2배 이상 향상 시킬 수 있다. 다른 합성 공정에 비해 대량화와 상업화가 용이한 것이 장점으로 다양한 분야에 응용하기 적합한 소재로 리튬이차 전지를 맞춤 설계할 수 있으며, 다양한 기반 기술을 바탕으로 한 융합 기술발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 이차전지시장 중 리튬이차전지가 차지하는 비율은 53.3%로 2015년에는 450억 불의 시장이 형성될 것으로 예상됨에 따라 그 발전가능성은 무궁무진할 것으로 기대된다.

선 교수는 “공침법을 이용한 전체 농도구배 복합층 구조의 양극소재 개발로 에너지 밀도 및 전지용량과 안정성을 동시에 획기적으로 높일 수 있으며 상용화가 용이해 향후 하이브리드 전기 자동차, 전력저장 시스템용 중대형 전지뿐만 아니라 신재생에너지 저장용 차세대 에너지 연구 저장시스템의 전극 소재 개발에 중요한 기반이 될 것”이라며 “국가의 경쟁력을 높이고 녹색성장의 발판을 마련하기 위해 최선을 다하겠다”고 각오를 전했다.

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