친환경·저비용 배터리 음극재 제조 기술 개발

한국연구재단, 임원빈 한양대 교수 연구팀

저온 합성법의 공정 메커니즘 원재료의 물 용해도에 따른 반응 속도 메커니즘 그림. 수증기에서 생성된 물방울은 합성을 가속화하고 합성물의 입자 크기를 조절하는 역할을 한다. 또한, Ca(칼슘)을 치환함에 따라 입자 성장 속도 제어 및 다공성을 높여 표면적을 넓힐 수 있다. 그림설명 및 그림제공 : 한양대학교 임원빈 교수

[아시아경제 김봉수 기자] 수증기를 이용해 배터리의 핵심 소재인 음극재를 낮은 온도에서 합성할 수 있는 기술이 개발됐다. 친환경적이고 적은 비용으로 음극재를 제조할 수 있게 돼 관심을 끈다.

한국연구재단은 임원빈 교수(한양대학교) 연구팀이 수증기를 이용해 음극재 소재를 낮은 온도에서 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

저장한 리튬이온을 방출하면서 전기를 발생시키는 음극재는 배터리 핵심소재 가운데 하나로 배터리의 용량, 수명을 좌우한다. 기존 고상 음극재 합성법은 높은 열처리 온도 등으로 인해 많은 에너지 소비가 필요하고 소재의 형상을 제어하는 데 어려움이 있었다. 형상제어에 유리한 액상 합성법도 연구되었으나 다량의 용매(증류수, 유기용매)가 사용되는 단점이 있다. 고온 조건과 유독한 유기용매와 고가의 재료를 사용하기 때문에 환경오염과 높은 에너지 소모문제가 있었다.

연구팀은 고상 원료에 수증기를 분사한 후 80도씨의 온도에서 표면에서부터 내부까지 상 합성을 유도해 균일한 입자 크기와 형상의 음극재를 합성하는 초미세 액상반응을 설계했다. 고온의 합성공정으로 인한 환경오염과 유독한 유기용매, 재료의 높은 가격 등을 극복하기 위한 것이다. 연구팀은 유독한 용매 대신 매우 적은 양의 수증기로 낮은 온도에서 합성할 수 있도록 했다. 새로운 합성법은 유독한 용매 대신 수증기를 매우 적은 양으로 낮은 온도에서 재료 합성이 가능해 친환경적이고 경제적이다.

이같은 저온 초미세 액상반응법은 리튬 배터리 음극재에 우수한 표면제어와 전기 화학적 성능 향상 효과도 입증됐다. 향후 다양한 에너지 저장재료에 친환경적 합성법으로 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난달 25일 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr