전기자동차 주행거리를 늘리는 신소재 기술이 개발됐다. 한국에너지기술연구원(KIER) 분리변환소재연구실의 장보윤 박사 연구진은 나노기술을 기반으로 한 리튬이온전지 음극 소재인 산화규소(SiOx) 나노분말 제조기술과 노하우를 개발, 국내 중소기업과 기술이전 계약을 체결했다. 이로써 전지의 제조가격을 낮추고 효율을 높이는 기술이 곧 상용화될 예정이다.

▲ 그림 1. 한국에너지기술연구원 분리변환소재연구실 장보윤 박사

커져가는 리튬이온전지 산업, 신소재로 앞서가다

 

4차 산업혁명이 대두되며 전기자동차나 각종 전자기기 가동을 위한 에너지저장원으로서 리튬이온전지 산업이 주목받고 있다. 세계 리튬이온전지 시장은 2010년 약 115억 달러 규모에서 연평균 17.24%씩 성장, 2013년 185.4억 달러 규모로 자리매김했다. 이후 이 시장은 연평균 18.49%로 성장하며. 2018년 433억 달러 규모로의 성장을 코앞에 두고 있다.

▲ 표 1. 세계 리튬 이차전지 현황 및 추정

높은 성장세를 보이는 리튬이온전지 시장에서 가장 많이 회자되는 분야는 전기자동차 배터리다. 전기자동차 배터리는 그동안 긴 충전시간과 기존 내연기관 자동차보다 떨어지는 주행거리 성능이 단점으로 지적 받아왔다. 배터리 제조 가격을 절감하면서 에너지 용량을 상승시킬 수 있는 전극 신소재 개발에 대한 필요성이 증대된 이유다. 

한국에너지기술연구원 분리변환소재연구실의 장보윤 박사 연구진은 나노기술을 기반으로 한 리튬이온전지 음극 소재인 산화규소(SiOx) 나노분말 제조기술과 노하우를 개발, 전기자동차 배터리가 가진 단점을 보완할 전망이다.

한국에너지기술연구원에서 개발한 제조 기술은 기존에 사용되던 흑연 음극제에 비해 에너지 용량이 4배가량 높아 전기자동차용 배터리에 적용하면 한 번 충전으로 500Km이상의 주행거리를 확보할 것으로 기대된다. 또한, 이 기술은 제조 시 킬로그램 당 2~3달러 정도의 저가 규소원료만을 사용하고 금속분야에 일반적으로 사용되는 유도용융장치를 사용해, 유일하게 상용화된 일본 제품 대비 30~50%의 생산단가 절감효과를 나타냈다. 연구원측은 “규소는 상압 조건에서 산화 반응을 제어하기 어려워 진공 상태에서 합승하는 것이 일반적이며 제조가격도 비싼 편이었다”며 “이번에 연구원에서 개발한 제조 기술은 합성반응영역을 진공 상태와 흡사하게 만들어 상압 조건에서도 합성할 수 있도록 설계돼 보다 쉽고 저렴한 규소 제작이 이뤄질 수 있다”고 설명했다.

▲ 그림 2. SiOx 나노분말 제조공정

▲ 그림 3. 실리콘 용탕 표면

▲ 그림 4. SiOx 제조 분말

2019년 1월부터 세계 자동차 시장에 공개할 예정

장보윤 박사 연구진이 개발한 나노기술을 기반으로 하는 리튬이온전지 음극 소재인 산화규소(SiOx) 나노분말 제조기술은 2017년 말, 국내 중소기업에 기술이전 계약이 체결된 상태다. 한국에너지기술연구원과 기술을 이전받은 업체는 함께 제품생산 및 판매를 위한 연구개발을 진행하고 2019년 1월부터 제품을 양산화해 테슬라를 비롯한 세계 각국의 배터리 제조업체 및 리튬이온전지 생산업체에 공급할 계획이다. 

연구책임자인 한국에너지기술연구원 분리변환소재연구실 장보윤 박사는 “고품질의 산화규소 나노분말이 전기자동차용 배터리에 적용되면 기존 전기자동차의 배터리 가격 저하를 위해 핵심적인 역할을 할 것”이라며, “한 번 충전으로 500km이상의 주행거리를 확보해 기존 내연기관 자동차를 대체하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 연구원은 앞으로 전기 자동차 및 전력저장시스템에 최적화된 음극소재 시작품 제작과 지속적인 현장 검증을 통해, 산화규소 나노분말의 제품화 기술개발을 수행할 계획이다. 

▲ 표 2. 기존 기술대비 우위성