리튬이온전지용 산화규소(SiOx) 나노분말 제조 기술 개발

• 프랑스 파리의 여성들 사이에서 전기차가 큰 인기입니다.
  특히 상류층 여성들 사이에서 인기가 좋아 ‘마담 차’라고 불리고 있습니다.
  또, 미국 전역에서는 3만 여대 이상의 전기차가 도로 위를 달리고 있고요.
  얼마 전 출시된 전기차 ‘콜롬비아 런어바웃’은
  미국 베스트셀러 자동차가 되었습니다.

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• 그런데 이 모든 일이 현재 일어나고 있는 일일까요? 아니면 곧 다가올 미래에 일어날 일일까요?
  둘 모두 아닙니다. 바로 지금으로부터 120년도 전에 벌어졌던 일들이죠.
  차세대 자동차로 불리는 전기차는 사실 가솔린 자동차보다 먼저 이 세상에 태어나 주목을
  받았었는데요. 하지만 값싼 동력원을 확보한 가솔린 자동차에 밀려 역사의 뒤안길로 사라지고
  말았습니다.

영영 사라지고 말 줄 알았던 전기차의 부활을 알린 건 테슬라였습니다. 테슬라는 2015년 전기차 모델 S를 발표하며 전기차 대박의 신화를 써나가기 시작했죠. 이 후 BMW, 벤츠, 아우디 같은 독일 전통 브랜드 업체부터 포르쉐, 재규어 같은 슈퍼카 브랜드까지 앞다퉈 전기차를 내놓을 정도로 테슬라의 영향력은 막강했습니다.

하지만 지난 3월 테슬라 모델 X가 충돌사고 직후 폭발하는 사건이 일어났습니다. 이를 두고, 한국에너지기술연구원 장보윤 박사는 전기차의 배터리로 사용되는 리튬이온배터리가 사고의 원인일 수도 있다는 이야기를 들려주었는데요. 전기차의 주행거리를 늘리기 위해 리튬이온배터리 저장 용량을 무리하게 늘리는 과정에서 화재가 발생했을 가능성이 있다는 것입니다.

“전기차를 움직이게 하는 배터리에 많은 전기를 저장하기 위해서는 더 많은 전극 물질, 즉 전극 소재를 넣어야 합니다. 전극 소재의 양이 전기 충전량을 결정하기 때문이죠. 하지만 이처럼 한정된 크기 내에 많은 전극 소재를 넣는 과정에서 상대적으로 배터리의 다른 구성요소의 희생이 발생할 가능성이 생겨나는데요. 이로 인해 안전의 문제가 발생하곤 합니다.”

리튬이온배터리는 리튬이온과 전자가 두 개의 전극 소재인 양극와 음극 사이를 왕복하며 전기를 만들어냅니다. 양극은 주로 리튬과 코발트·망간 등을 섞어서, 음극은 흑연으로 만들죠. 즉, 코발트나 흑연 같은 물질이 전극 소재입니다.

만약 전극 소재를 조금만 넣어도 에너지 저장 용량을 확보할 수 있다면, 테슬라와 같은 사고를 방지할 수 있는 안전한 전기차 배터리를 만들 수 있을 것입니다. 또한, 현재 전기차의 단점으로 지적되고 있는 짧은 주행거리와 비싼 가격의 문제도 해결될 수 있죠. 하지만 현재 사용되고 있는 전극 물질의 경우, 에너지 저장 용량을 확장하는 데 한계에 이른 상황입니다.

이 과정에서 장보윤 박사는 녹인 실리콘의 불순물을 제거하기 위해 소량의 산소를 공급했는데요. 갑자기 예상치 못한 분말들이 뿜어져 나왔습니다. 처음에는 분말이 안 나오는 공정을 개발하려고 했으나, 연구를 진행할수록 그 양은 오히려 증가했죠. 이에 그는 발상을 전환해 이 분말이 무엇인지 확인해보았다고 합니다.

확인 결과, 그 분말은 리튬이온배터리 음극 소재로 사용되는 산화규소(SiOx)였습니다. 그것이 장보윤 박사와 산화규소 나노분말의 첫 만남이었는데요. 이 후 장보윤 박사는 본격적으로 리튬이온 배터리의 새로운 음극 소재인 산화규소(SiOx) 나노분말 제조기술을 개발해나갔습니다.

산화규소 나노분말 제조 과정