수계 리튬2차전지용 음극재료·공정의 개발

교육과학기술부와 한국과학재단은 수계 리튬 2차전지용 음극재료 및 공정의 개발에 성공한 한양대학교 신소재공학부 백운규(白雲揆, 45세) 교수를 '이달의 과학기술자상' 12월 수상자로 선정했다.

백운규 교수는 세계 최초로 수계 리튬 2차 전지(리튬 2차 전지는 양극과 음극사이에 리튬이온이 이동하면서 생기는 전위차를 이용하는 에너지 저장 소자로써, 크게 전극 (양극과 음극), 전극을 전기적으로 절연시키기 위한 분리막, 그리고 리튬이온이 이동할 수 있게 해주는 전해액으로 구성되어 있다.

양극재료로는 주로 리튬을 포함하는 금속산화물이 사용되며 음극재료로는 흑연, 금속산화물 등이 주로 사용된다.)용 음극재료 및 공정 개발(리튬 2차 전지용 전극재료는 구리나 알루미늄과 같은 금속에 코팅을 해야 하는데, 이때 인체에 치명적인 유기용매를 사용하게 된다. 본 기술의 개발은 인체에 치명적인 유기용매 대신 인체에 무해한 물을 사용하는 친환경적인 새로운 제조공정을 가능하게 했다.)에 성공했다.

기존 리튬2차전지는 제조공정에서 인체에 유해하고 환경오염을 유발하는 고가의 유기용매(고체와 액체를 녹일 수 있는 탄소 함유 화합물로 인체에 치명적이며 환경오염을 일으킬 수 있다)를 사용했다.

이에 따라, 물을 용매로 사용하는 제조공정이 요구되어 왔으나, 전지의 특성저하 문제로 인한 어려움(일반적으로 미세입자는 나노단위(10-9m)로 크기가 작아짐에 따라 매우 우수한 물리화학적 특성을 보이지만, 동시에 입자끼리 서로 잡아당기는 힘, 즉 반데르발스 힘 증가에 의해 입자간의 뭉침 현상이라는 심각한 문제점을 필연적으로 수반하게 된다. 이에 따라, 막의 충진 밀도가 낮아지고 균일한 막의 형성이 어려워져서 나노 입자 고유의 특성을 상실하게 되고 이는 곧 전지의 용량 저하로 이어지게 된다.)이 있었다.

이를 해결하기 위해 백운규 교수 연구팀은 나노 입자들끼리 서로 끄는 힘을 억제시킴으로써 물에서도 나노 음극 재료들이 잘 분산될 수 있는 기반 기술을 확립하였으며, 형성되는 막의 균일화에 성공함으로써 고효율을 갖는 저가 친환경 제조공정 기술을 개발했다.

유기용매를 물로 전환하는 동 기술개발을 통해 전지 1개당 17원의 제조단가 절감의 효과를 거두었으며 환경오염원 배출문제 해결 및 현장근로자의 작업환경 개선에도 크게 기여했다.

이 기술은 (주)삼성 SDI에 성공적으로 기술 이전되어 양산화에 성공하였으며 동 기술의 적용에 의한 전지성능 향상 및 제조단가 절감효과로 세계 유수 모바일폰 제작사에 수출하는 결과를 이루었다.

백 교수는 이 연구 결과로 국내특허 1건을 비롯하여 미국, 일본, 유럽연합에 3건의 국제특허를 출원 및 등록하였으며, 유수의 저널에 5편의 SCI 논문을 게재하는 학문적 성과를 이루어 냈다.

또한 향후 시장의 규모가 증가하리라 예상되는 2차 전지 분야에서 수계 제조공정의 원천기술을 확보함으로써 전지분야에서 세계적인 경쟁력 제고에 기여할 것으로 기대된다.

백 교수는 수상소감에서 “고유가 시대의 도래에 따라 에너지 개발 및 저장에 대한 관심이 높아지면서, 선진국 등에서는 이미 이와 관련된 원천기술 확보에 박차를 가하고 있어 국내와의 기술적 격차가 벌어지고 있다”며 “따라서 에너지 분야에서 경쟁력을 높이기 위해서는 요소기술 및 원천기술의 확보가 절실히 필요하다고 언급했다.

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