[파이낸셜뉴스] 소니드의 자회사 소니드온이 열폭주 현상에 대응 가능한 ‘리튬이온 배터리 사업장 전용 화재 소화 시스템’을 개발해 자사의 전기차 배터리 회수·보관 설비에 적용 중이라고 26일 밝혔다. 해당 시스템은 올해 하반기부터 외부 판매에 집중할 계획이다. 향후 리튬이온 배터리 생산 설비에도 확대 적용 가능할 것으로 회사 측은 기대하고 있다. 소니드온은 지난해 한국과학기술연구원(KIST) 유병철 기술사와 공동으로 △이동식 안전 소방설비 △전기운송장비의 소화장치 및 자동소화시스템 △ESS 및 UPS 화재 자동소화 시스템 특허를 출원했다. 최근 리튬이온 배터리 화재 사고로 열폭주 현상이 주목되고 있다. 소니드온의 화재 소화 시스템은 씨텍에서 개발한 비전도성 액체 소화약제를 적용해 열폭주 현상에 대응한 것이 특징이다. 소니드온은 씨텍과 리튬이온 배터리 화재 소화용 소화기 판권 계약을 체결했다. 비전도성 액체형 소화약제는 냉각 능력이 우수하고, 전기의 전도를 차단함으로써 누전에 의한 2차 피해를 막을 수 있기 때문에 전기화재(C급)의 초기 소화 및 화재 확산 방지에 효과적이다. 또한 물에 비해서 열 생성이 적어서 화재의 재발 가능성도 낮춘다. 리튬이온 배터리는 고에너지 밀도와 경량화로 전기차, ESS, UPS, 스마트폰, 노트북 등 다양한 용도로 사용 중이다. 다만 과충전, 과열 또는 물리적 손상으로 인한 화재 위험이 존재한다. 화재 진화에는 냉각효과가 있는 적응성 소화약제 즉, 비전도성 액체형 소화약제가 효과적인 솔루션으로 떠오르고 있다. 기존 분말형 및 기체형 소화약제는 냉각 능력이 낮고, 일반 강화액 소화약제는 전기적 전도성이 높아(C급 적응성 없음) 전기 및 리튬이온 배터리 화재에는 적용이 불가능하다. 소니드온 김진섭 대표이사는 “향후 전기차 배터리 재활용 관리 체계를 갖춘 전기차 회수·보관 및 자원화센터 구축이 예정된 상황인데, 여기에는 ESS 화재 예방 시스템을 개발해 적용할 예정”이라며 “전기차 해체 메뉴얼 수립, 전기차 안전 해체 공정 개발도 추진할 것”이라고 말했다. dschoi@fnnews.com 최두선 기자

[파이낸셜뉴스] 아이엘사이언스가 '리튬 전이 금속 산화물을 이용한 리튬 덴드라이트 억제 방법 및 효과'에 대한 특허를 출원했다. 2일 아이엘사이언스에 따르면 이번 특허는 리튬 금속 음극과 맞닿는 음극 집전체인 구리 집전체 표면에 리튬 전이 금속 산화물을 코팅, 덴드라이트 형성을 억제하거나 불균일하게 형성되는 빈도를 줄이는 기술이다. 리튬이온 배터리는 양극재와 음극재, 전해액, 분리막 네 가지 요소로 구성된다. 양극과 음극 물질 간 전자 이동으로 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치다. 양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하면서 배터리가 충전되고, 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가면서 배터리가 방전되는 원리다. 현재 사용되는 리튬이온 배터리는 리튬이온을 흑연이나 실리콘에 저장하는 특징이 있다. 에너지 밀도면에서 새로운 음극재 개발이 진행 중이고 흑연 등 기존 음극재가 대체되는 상황이다. 리튬 금속이 이론적으로 최종적인 음극재로 간주된다. 리튬 금속을 음극으로 사용하는 배터리는 기존 흑연에 비해 가벼워 음극재 무게와 부피를 줄일 수 있으며 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. 리튬 금속이 이론적으로 최종적인 음극재임에도 불구하고 상용화하지 못하는 이유 중 하나는 리튬 금속을 사용할 때 '리튬 덴드라이트'가 형성되기 때문이다. '리튬 덴트라이트'는 충방전시 금속 리튬이 성장하면서 미세한 선 모양의 덩어리가 형성되는 현상인데 덴드라이트 불균형 형성이 배터리의 수명과 성능을 저하시킨다. 아이엘사이언스 관계자는 "덴드라이트는 너무 크게 자라나면 양극과 음극을 분리하는 분리막을 뚫어 내부 단락이 일어나고, 전지를 가로질러 흐르는 전류가 급격히 증가해 화재 원인이 되기도 한다"며 "이번 기술은 불균형하게 형성되는 덴드라이트를 억제하는 신기술"이라고 말했다. 이어 "이번 신기술로 기존 배터리 구성 요소와 구조에서 벗어나지 않고 리튬 금속을 음극으로 사용하는 배터리 수명을 연장시키고 성능을 개선할 수 있다"며 "현재 음극재 생산량 84% 정도가 중국에서 생산되는데, 리튬 금속 음극 적용은 음극재 국내 생산 점유율 상승을 이끌어 낼 수 있다"고 덧붙였다. 한편, 시장조사업체 프레시덴스 리서치는 전 세계 리튬이온 배터리 시장 규모가 지난 2022년 700억달러에서 오는 2030년 3870억달러 규모로 성장할 것으로 전망했다. butter@fnnews.com 강경래 기자

【베이징=정지우 특파원】오는 8월 1일부터 중국으로 리튬이온배터리 등을 수출해 판매하려면 중국강제인증(CCC)제도의 인증을 받아야 한다. 아니면 수출·판매 등이 금지된다.  13일 국가시장감독관리총국에 따르면 지난 11일 이런 내용을 골자로 한 CCC인증 관리를 시행한다고 발표했다. 대상 제품은 리튬이온배터리, 배터리 팩, 보조 배터리 등이다. 인증 관리는 내달 1일부터 시작된다. CCC인증 인증서나 인증 마크가 표시되지 않을 경우 공장, 판매, 수입 또는 기타 경영활동을 할 수 없다. 다만 중국 당국은 1년간 유예기간을 두기로 했기 때문에 본격적인 단속은 내년 8월 1일부터 이뤄진다. CCC인증은 중국 내로 수입되는 일반적인 공업 제품이 일정한 안전 기준을 충족하는지 심사하고 인증하는 제도다. 인증된 제품은 CCC마크나 공장 코드를 함께 표기해야 한다. 중국이 ‘수입’하는 것이기 때문에 한국 입장에선 ‘수출품’이 된다. 우리 기업이 CCC인증을 받으려면 신청서, 사업자 등록증, 일치성 성명서, 부품 리스트, 회로도, 제품 묘사서, 조립도, 전기 원리도, 중문 제품 매뉴얼, 중문 명판, 계측기, 생산 설비 리스트, 공장 심사 조사표 등을 제출해야 한다. 인증을 받는데 걸리는 시간은 통상 90여 일이라고 한국무역협회는 설명했다. 리튬이온배터리의 경우 올해 1~4월 기준 대중국 수출액이 6500만달러에 그쳤다. 반면 수입액은 28억2900만달러를 기록했다. CCC인증이 시행되면 리튬이온배터리 수출이 더 제약을 받을 것으로 예상된다.  CCC인증에 추가된 제품 가운데 보조 배터리는 가연성 유기 전해액을 사용하므로 폭발 등의 잠재적 위험이 있는 것으로 중국은 판단하고 있다. 시장총국은 최근 발표한 온라인 판매 보조 배터리 제품의 품질 감독 검사 결과에서 30% 이상이 부적격 판정을 받았다고 밝혔다. 주요 문제는 용량 부족, 발열, 폭발 등이 제시됐다.  올해 1월 광시장족자치구 구이핑 한 주택에서 새벽에 대형 화재가 발생해 일가족 4명이 목숨을 잃기도 했다. 발화 원인은 보조 배터리 화재였으며, 해당 제품이 위조품이었다고 중국 매일경제신문은 보도했다. 중국은 세계 최대 보조 배터리 생산국이면서 소비 시장이다. 세계 시장 점유율은 32%에 달한다. 관영 중국중앙방송(CCTV)은 “작은 크기와 편리한 휴대성을 가진 보조 배터리는 휴대폰과 같은 전자 제품을 충전하는 문제를 해결했으며 몇 년 동안 판매량이 매우 높았다”고 평가했다. jjw@fnnews.com 정지우 기자

[파이낸셜뉴스] 2차전지 관련주들이 부각되고 있는 가운데 에이에프더블류가 리튬이온배터리의 음극마찰용접단자를 국내에서 유일하게 100% 독점하고 있다는 소식에 최근 주가 상승세가 눈에 띄고 있다. 22일 금융감독원 전자공시에 따르면 에이에프더블유는 "자체 조사자료에 따라 국내 기업은 당사가 유일해 국내 시장 내 음극마찰용접단자의 시장 점유율은 100%로 독점 생산하고 있다"고 밝혔다. 사업보고서에 따르면 에이에프더블류의 음극마찰용접단자의 경우 에너지저장장치(ESS) 및 전기차의 배터리에 투입되고 있다. 중대형 전지의 경우는 BMW, 폭스바겐, 아우디, 크라이슬러 등 이미 글로벌 완성차 업체들의 배터리에 탑재되고 있는 상황이다. 중국에서도 관련 제품을 생산하고 있지만 중국 내 업체의 경우에도 에이에프더블유 외에 단 한개사만이 생산할 뿐이다. 한편 에이에프더블류는 신사업으로 전기차 BSA(Battery System Assembly)내 '셀-모듈-펙' 및 전장품의 전기적 연결을 위한 핵심 전력 부품인 부스바(Busbar) 사업을 추진 중에 있다. 부스바란 전차, 차량, 항공기 등에서 전기적인 연결을 가능하도록 하는 막대형의 전도체다. 전선을 대체해서 큰 전기용량을 배터리 또는 발전기에서 전장품으로 공급하는 핵심 전력 부품이다. 부스바는 전선과 달리 필요한 길이만큼만 정확하게 제작하여 사용함으로써 자동차 부품 및 모듈 등을 간소화가 가능토록 한다. 이 밖에도 마찰교반용접(FSW)을 활용한 친환경차량 전장품을 생산하고 있다. 이 같은 2차전지 배터리 및 친환경 전기차 관련 신사업 추진으로 주가도 최근 탄력을 받고 있는 모습이다. 9월 초까지만 해도 3000원대에 머물던 주가가 최근 5000원을 넘어서기도 했다. dschoi@fnnews.com 최두선 기자

【도쿄=조은효 특파원】 일본 정부가 전기차(EV)용 등에 사용되는 배터리 생산을 2030년까지 현재의 20배로 늘린다는 목표를 세우고, 배터리 산업 육성책에 나선다. 2015년 1위였던 세계 리튬이온 배터리 시장 점유율이 5년만에 반토막 나면서 중국, 한국에 크게 밀리자 정부 차원의 대규모 지원책을 모색하고 있는 것이다.  21일 요미우리신문에 따르면 일본 경제산업성은 2030년 일본의 배터리 생산능력을 현재의 20배 수준인 600GWh(기가와트시)로 확대한다는 목표를 설정하기로 했다. 배터리 산업은 전기차는 물론이고, 태양광·풍력 등 재생에너지 보급 확대를 위해서도 필수다.  총 600GWh 가운데 일본 국내에서 150GWh, 해외에서 450GWh를 각각 생산한다는 계획이다. 차량용 배터리 제조 라인을 일본 내에 만드는 경우 6GWh 규모에 약 1000억엔(약 9600억원)의 투자가 필요하다. 2030년 목표량을 달성하려면 10조엔(96조원)을 투자해야 한다.  이로 인해, 당초 우선순위로 설정했던 전고체 배터리 개발 지원도 리튬이온 배터리 지원책 다음의 후순위로 밀려날 것으로 보인다. 리튬이온 배터리의 시기가 상당기간 지속될 것이란 현실적 판단이 작용했다.  최근 5년새 일본기업의 배터리 시장 점유율은 급격히 줄어든 상태다. 2015년 차량용 배터리 점유율은 일본이 40%로 1위, 중국이 2위(32%), 한국이 3위(19%)였다. 5년이 지난 2020년에는 중국이 37%로 1위, 한국이 근소한 차이로 2위(36%)를 차지했으며 일본은 3위(21%)로 밀려났다.  순위 뿐만 아니라 점유율 자체가 반토막이 됐다. 일본 산업계는 물론이고 집권 여당인 자민당까지 이런 상황을 위기로 받아들이는 모습이다. 한·중 배터리 기업들의 공세가 거세지고 있어, 이대로 놔뒀다가는 더욱 쪼그라들 수 있다는 것이다. 자칫하다가는 '반도체 꼴'이 날 수 있다는 것이다.  연초부터 자민당 내 배터리 관련 산업진흥의원연맹(지난해 6월 발족)이 수조엔 규모의 지원책을 촉구하고 나섰다. 자민당 의원들은 "예산, 세제 개정 등 정부 정책과 산업계 사업 전략이 불충분하다"고 지적했다. 이어 지난달 28일에는 일본 경제산업성이 배터리 산업 민관 협의회를 열어, 리튬이온 축전지 생산 기반 강화를 위한 투자 지원 확대를 검토하겠다고 밝혔다. 대규모 수준의 보조금 확충이 전개될 전망이다.  아울러 리튬, 니켈 등 배터리 제조에 투입되는 희소금속 확보 강화 방안도 검토 중에 있다. 민간 기업이 이들 희소금속 확보를 위해 해외 광물자원 개발에 나설 경우, 정부의 출자 상한을 현재 최대 50%에서 100% 가까이 확대하는 것이 핵심골자다. 일본 정부는 늦어도 올여름까지는 배터리 산업전략 지원책을 마련한다는 계획이다.  한편, 이런 위기감 속에 세계 배터리 점유율 1·2위를 달리고 있는 일본 파나소닉 홀딩스는 최근 2024년까지 3년간 전기차용 전지 사업, 에어컨 등 공조 시스템 등을 성장분야로 설정하고 총 4000억엔(약 3조8700억원)을 투자하겠다고 발표했다. ehcho@fnnews.com 조은효 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 리튬이온 배터리 속 흑연을 대체할 수 있는 풀러렌 제조법을 개발했다. 이 풀러렌으로 만든 리튬이온 배터리는 비용량이 흑연보다 2배 이상 높았으며, 1000회 이상의 충방전에도 성능이 유지됐다. 한국연구재단은 부산대 조채용 교수팀이 균일하고 순수한 풀러렌을 만들 수 있는 열증발-냉각법을 개발했다고 1일 밝혔다. 풀러렌은 흑연과 같은 탄소로 이뤄졌지만 평면 구조의 흑연과 달리 탄소 원자 60개가 축구공 같은 모양을 하고 있다. 연구진은 "현재 사용중인 리튬이온 배터리에도 바로 활용이 가능할 정도의 성능이 나왔다"고 설명했다. 연구진은 이 풀러렌을 리튬이온 배터리의 음극으로 만들었다. 풀러렌이 이론적으로 리튬이온을 12개 저장하는 것으로 파악됐지만, 실제 실험결과 최대 21개의 리튬이온을 저장했다. 또한 1000회 이상의 충방전에도 90% 이상의 성능이 유지됐다. 기존에도 풀러렌의 여러 기능성 그룹을 결합하거나 구조를 변형시켜 용량을 높이려는 시도는 있었다. 연구진은 "이번 연구결과가 순수한 풀러렌을 결정화해 얻은 것으로 차별화된다"고 설명했다. 조채용 교수는 "실용화를 위해서는 대량 생산과 단가가 문제인데, 이것은 저렴한 기본 풀러렌 분말 소재를 확보하고 이에 걸맞는 열처리로를 수정하면 해결될 것"이라고 말했다. 또한 조 교수는 "이와 더불어 소재 가격이 낮은 나트륨 기반의 배터리가 성공적으로 만들어지면 훨씬 더 높은 경쟁력을 가질 것"이라고 전망했다. 연구진은 흑연 대신 풀러렌을 음극으로 적용할 경우 리튬이온 이차전지에서 높은 에너지 밀도와 장기 안정성을 유지할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한 연구진은 리튬이온 증가에 따른 풀러렌 결정구조 변화를 이론적으로 시뮬레이션하는 연구를 지속할 계획이다. 이번 연구결과는 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 10월 28일자로 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

국내 산학연 연구진이 공동으로 한번 충전으로 640㎞ 이상을 달릴 수 있는 전기차용 배터리 만들기에 나섰다. 한국에너지기술연구원 산학연 컨소시엄은 지난 8월 한국과학기술연구회의 창의형 융합연구 사업에 선정됐다. 2025년까지 114억원을 지원받아 새로운 리튬이온배터리 제조공정을 개발해 세미 파일럿스케일 규모의 장비를 만든다. 11일 연구진에 따르면 소재와 공정을 혁신적으로 개선해 배터리 에너지밀도를 1㎏당 250Wh에서 400Wh 이상으로 끌어올릴 계획이다. 또한 배터리 전극 제조 공정을 습식에서 건식으로 바꿔 탄소배출이 없고 에너지 소모를 극단적으로 줄일 예정이다. 뿐만 아니라 생산성과 효율성을 끌어올리고 원가절감까지 기대할 수 있다. 이 컨소시엄을 총괄 지휘하는 에너지기술연구원 김진수 박사는 "이 연구개발 사업의 가장 큰 특징은 배터리 전극을 생산하는 과정에서 탄소배출을 제로로 만들 수 있다"고 말했다. 기존 배터리 전극을 만드는 제조공정은 습식으로 유기용매를 사용해 다시 건조하는 과정에서 1kWh당 42kg의 이산화탄소가 발생한다. 건식으로 바꾸면 건조과정이 필요없어 이산화탄소가 발생하지 않는다. 또한 김진수 박사는 "배터리 전극생산 공정에 쓰이는 에너지중 50%가 건조공정에서 소비되는데, 건식공정으로 전환하면 건조공정에 쓰이는 엄청난 에너지 소모를 줄일 수 있다"고 설명했다. 뿐만아니라 증발한 유기용매를 회수하는 장치 등 부차적인 설비들이 필요없어 공장 면적을 대폭 줄일 수 있다. 김 박사는 "이렇게 되면 같은 면적의 공장이라도 생산라인을 더 늘릴 수 있어 생산성과 공정 효율성이 좋아지고 그에 따른 원가 절감까지 기대할 수 있다"고 말했다. 에너지기술연구원 컨소시엄에는 한국전기연구원과 한국재료연구원, 한국과학기술연구원, ㈜윤성에프앤씨, ㈜한화기계가 참여한다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] GS건설의 자회사인 에네르마㈜가 친환경 미래사업인 리튬이온 배터리 리사이클링(2차전지 재활용) 사업의 첫 삽을 뜬다. GS건설은 15일 포항 영일만4 일반산업단지내 배터리 리사이클링 규제자유특구에서 허윤홍 GS건설 신사업부문 대표와 이철우 경북도시사, 이강덕 포항시장 등 관계자 40여명이 참석한 가운데 '리튬이온 배터리 리사이클링 사업' 착공식을 진행했다고 밝혔다. GS건설의 리튬이온 배터리 리사이클링 사업 자회사인 에네르마는 GS건설이 100% 지분을 가진 자회사로 Energy(에너지)와 Materials(소재)의 앞 글자(Ener+Ma)를 합쳐 만들어진 이름이다. 에네르마는 최고의 에너지 소재 전문기업을 의미하며, 지난해 10월 법인설립 후 사업을 진행해 왔다. 이번 사업은 연 2만t 처리 규모의 공장을 착공해 운영되며, 사용 후 리튬이온 배터리를 수거해 물리적 파쇄, 블랙 파우더(배터리를 잘게 쪼갠 후 열처리한 리튬, 코발트, 니켈, 망간 등이 포함된 검은색 덩어리) 제조, 습식제련의 과정을 통해 리튬이온 배터리 소재 금속을 추출하는 과정으로 재활용 공정이 진행된다. 에네르마는 1차적으로 약 1500억원을 투입해 2023년부터 상업생산에 들어가며 단계적 투자 확대를 진행할 예정이다. 특히 이번에 착공하는 공장은 GS건설이 축척해 온 플랜트 및 환경시설 설계와 시공경험을 바탕으로 시설 자동화 시스템을 구축해 국내 최고 수준의 경쟁력을 확보한다는 계획이다. 리사이클링 사업은 사용 후 배터리의 처리에서 발생하는 오염 방지와 자원 낭비에 대한 해결책으로, GS그룹이 추진 중인 친환경 경영의 대표 사례로 꼽힌다. 허윤홍 GS건설 신사업부문 대표는 "이번 착공식 이후 본격적인 사업 진행으로 배터리 소재의 경쟁력을 확보하는 동시에 일자리 창출을 통한 지역경제 활성화를 이룰 것"이라며 "GS건설은 배터리 리사이클링 사업을 친환경 신사업의 한 축으로 성장시켜 ESG 선도기업으로 환경과 사회를 생각하는 지속가능경영을 지속할 것"이라고 밝혔다.   hoya0222@fnnews.com 김동호 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 리튬이온 배터리를 오랫동안 안정적으로 사용할 수 있는 양극 코팅 기술을 개발했다. 이 기술을 적용한 배터리는 500회 이상 충전과 방전을 반복해도 기존 용량의 95%에 준하는 성능을 유지했다고 연구진은 설명했다. 뿐만아니라 이 기술을 적용한 양극 소재는 고온이 아닌 상온에서 제작이 가능해 제조공정 비용이 절감될 것으로 전망하고 있다. 울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 조재필 특훈교수팀이 리튬이온배터리의 수명을 늘릴 수 있는 하이니켈 양극 소재 코팅 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. 하이니켈 소재는 니켈함량이 80%이상인 리튬이온 배터리 양극 소재로, 비싼 코발트 함량은 낮고 니켈함량이 높아 저렴하다. 연구진은 이 코팅 기술을 적용한 양극 소재가 주행거리 연장형 전기자동차 뿐만 에너지저장장치(ESS)용 리튬이온 배터리 시스템에 적용이 가능할 것이라고 전망했다. 연구진은 코팅제를 쓴 하이니켈 양극재와 상용 인조흑연 소재를 음극재로 쓴 배터리를 제조하고 코팅제의 성능을 평가했다. 실험 결과 500회 충전 및 방전 후에도 기존 용량의 95%에 이르는 성능을 보였으며, 이는 일반 하이니켈계 소재 대비 약 20% 향상된 수명 유지율이다. 조재필 특훈교수는 "현재 상용화된 하이니켈계 양극소재는 습식코팅 공정을 이용하는 것이 보편화돼 있으나, 잠재적으로 이미 등록된 미국특허의 침해 가능성이 아주 크고, 고온 합성이라 생산비용 상승 문제가 있다."며 "이번에 개발된 코팅법을 적용한 양극재 대량 합성공정 개발 시, 기존 코팅 공정 대비 적어도 20% 이상의 비용 절감 가능할 것"이라고 설명했다. 연구진은 보호제인 '코발트-보라이드' 화합물을 양극재 입자 표면뿐만 아니라 입자 내부까지 골고루 침투시킬 수 있는 상온 코팅 기술을 개발했다. '코발트-보라이드' 물질이 하이니켈 양극 구성 성분인 산소와 강한 결합을 이루는 원리로 상온 코팅이 가능하다. 주로 입자 표면에서 시작된 균열이 안으로 파고들어 입자 내부까지 균열이 생기는데, 새로 개발된 코팅법을 쓰면 입자 안팎을 모두 보호 할 수 있어 수명 유지 효과가 뛰어나다. 제1저자인 윤문수 박사과정생은 "하이니켈계 소재는 45℃ 이상의 고온에서 미세 구조 붕괴가 발생하는 문제가 있는데, 새로 개발한 코팅 법으로 이 문제도 해결했다"고 말했다. 또한 "상온에서 입자 표면뿐만 아니라 입자 내부까지 코팅이 가능하다"고 말했다. 이번 연구 결과는 미국 매사추세츠공과대(MIT)의 쥐 리 교수팀과 공동으로 진행해 에너지 분야의 권위 학술지인 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 2일(현지시각) 공개됐다. 한편, 대용량 배터리 양극 소재로 꼽히는 하이니켈 소재는 고용량 발현이 가능하고 가격이 상대적으로 저렴하다. 하지만 충·방전이 반복되면서 소재 입자 내부에 미세균열이 생길 뿐만 아니라 배터리 전해액과의 부반응 때문에 수명이 급격히 감소한다. 이 때문에 전극을 보호하기 위해 현재 생산 중인 모든 소재 표면에 코팅제를 발라 700℃ 이상의 고온에서 열처리하는 방식을 쓰고 있지만, 이는 성능 저하 와 공정비 상승으로 이어지는 문제가 있다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 500번 이상 충·방전해도 성능이 유지되는 새로운 고용량 리튬이온배터리 양극(+) 소재를 개발했다. 이를 통해 비싼 가격의 코발트를 넣지 않고도 리튬이온배터리가 안정적인 고에너지를 유지할 수 있다고 연구진은 설명했다.  포항공과대학교(POSTECH)은 신소재공학부 강병우 교수, 이정화 박사 연구팀이 리튬이온배터리의 양극에 코발트를 빼고 리튬의 양을 늘려 합성한 신소재를 개발했다고 22일 밝혔다. 연구진이 개발한 양극소재를 사용한 리튬이온배터리는 3.6V의 안정적 방전 전압으로 1g 당 300㎃h의 용량과 1㎏당 1100Wh의 높은 에너지 밀도를 가졌다. 이는 기존 소재를 사용한 배터리보다 180% 이상 증가한 에너지 밀도를 보인 것이다. 특히, 많은 양의 리튬 이온이 빠지더라도 안정적 구조를 유지할 수 있게 돼 100번의 충방전에도 95% 정도의 용량을 유지할 수 있다. 또, 500번 이상의 충방전에도 83%정도의 용량을 유지해 수백 사이클 동안 안정적 고에너지를 유지할 수 있다고 연구진은 설명했다. 연구진은 지난 연구에서 리튬 과량 층상구조 물질에서 전이 금속과 리튬 층 사이 원자의 불규칙한 분포 형태가 전기화학 반응 활성화 및 사이클 특성에 중요한 요인임을 밝혔었다. 리튬 과량 층상구조 물질은 기존 물질보다 리튬의 양이 니켈, 망간 등의 전이금속보다 많이 포함된 층상구조를 가지는 양극재를 말한다. 연구진은 그 후속 연구로 합성 조건을 조절했다. 이번에 개발한 새로운 공정은 기존에 발표된 고상법을 이용해 양극 소재를 만들어낼 수 있는 간단하고 효율적인 방법이다. 그 결과, 합성된 리튬 과량 층상구조 물질은 전기화학적 활성도와 사이클 특성 관점에서 최적화된 구조를 가지게 돼 많은 양의 리튬을 사용할 수 있다. 연구진은 이를 통해 수백 사이클 동안 산소 이온의 반응도 안정적이고 가역적으로 작동되는 것을 확인했다. 강병우 교수는 "이번 연구 성과는 리튬이온 배터리의 양극 소재를 비교적 간단한 공정 변화를 통해 획기적으로 개선했다는 점과 이를 통해 차세대 리튬 양극 소재가 실제 상용화에 적용하는데 한 걸음 더 다가섰다는 점에 의미가 있다"고 말했다. 이 연구 성과는 미국화학협회 에너지 분야 학술지 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 지난 1일 게재됐다. 한편, 전기자동차 주행거리와 충·방전 사이클은 리튬 이차 전지의 양극 소재의 특성에 의해 결정된다. 양극에서 나온 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 전기를 만드는데, 리튬 과량 층상구조 양극 소재의 경우 많은 양의 리튬이온이 음극으로 이동하고 다시 양극에 삽입되는 과정에서 사이클 수가 급격하게 저하된다. 특히, 높은 충전 상태에서 많은 양의 리튬이온이 양극에서 추출되고 산소 반응이 일어나게 되면, 구조적 붕괴가 일어나게 되고 이후 충·방전 특성과 고에너지 밀도를 유지할 수 없게 된다. 이로 인해 고밀도 리튬이온배터리 상용화에 걸림돌이 됐다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자