- 저비용·고효율 리튬이온전지용 고순도 산화규소(SiOx) 나노분말 제조 기술 개발

- 4차 산업혁명에 따른 중대형 리튬이온전지 시장 패러다임 변화에 기여

□ 4차 산업혁명이 대두되며 전기자동차나 각종 전자기기 가동을 위한 에너지저장원으로서 리튬이온전지 산업이 주목받고 있는 가운데, 신소재를 통한 에너지 용량 극대화로 전지의 제조가격을 낮추고 효율을 높이는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 

  ○ 세계 리튬이차전지 시장은 2010년 약 115억 달러 규모에서 연평균 17.24%씩 성장했고 2013년 185.4억 달러 규모로 성장, 2013년 이후 연평균 18.49%씩 성장해 2018년에는 433억 달러에 이를 전망이다.

  ○ 리튬 이온전지 중에서도 가장 많이 회자되는 전기자동차 배터리는 자동차 가격의 절반이상을 차지하고 있으나 긴 충전시간과 기존 내연기관 자동차보다 떨어지는 주행거리 성능이 단점으로 지적받고 있다. 이를 극복하기 위해 배터리 제조 가격을 절감하고 에너지 용량을 상승시킬 수 있는 전극 신소재의 개발이 매우 중요한 시점이다. 

■ 한국에너지기술연구원(원장 곽병성, 이하‘에너지연’) 장보윤 박사 연구진은 나노기술을 기반으로 하는 리튬이온전지 음극 소재인 산화규소(SiOx) 나노분말 제조기술과 노하우를 개발하는데 성공하고 2017년 말, 국내 중소기업에 기술이전 계약을 체결했다.

    ※ 기술이전 계약 규모 : 전용 실시 계약(기술료 10억 400만원)

  ○ 연구원에서 개발한 기술을 이용해 제조된 산화규소(SiOx) 나노분말에는 리튬과의 반응성이 높은 실리콘(Si)이 포함돼있다. 이를 리튬이온전지에 적용하면 현재 주로 사용되고 있는 흑연 음극재에 비해 에너지 용량을 4배가량 높일 수 있다.

  ○ 규소는 상압 조건에서 산화 반응을 제어하기 어렵기 때문에 진공 상태에서 합성하는 것이 일반적이며 제조가격도 비싼 편이다. 이에 비해, 에너지연에서 개발한 제조 기술은 합성반응영역을 진공 상태와 흡사하게 만들어 상압 조건에서도 합성할 수 있게끔 설계됐다.

  ○ 또한, 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.

  ○ 이외에도, 반응 시에 사용한 가스를 순환시켜 재활용하고 일정하게 공급할 수 있도록 설계함으로서 100시간 이상의 연속공정도 가능하다는 장점이 있다.

     ※ 기존 공정 소요시간 : 8~10시간

□ 에너지연과 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 에너지연 분리변환소재연구실 장보윤 박사는“고품질의 산화규소 나노분말이 전기자동차용 배터리에 적용되면 기존 전기자동차의 배터리 가격 저하를 위해 핵심적인 역할을 할 것”이라며, “한번 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.