차세대 리튬2차전지의 핵심소재 개발 성공

한국전기연구원, 고용량 나노 양극활물질 개발

[프라임경제=e-사상계] 한국전기연구원 김현수(金顯洙, 42)박사 연구팀은 과학기술부의 ‘21세기 프론티어 나노소재기술개발사업단(단장 서상희)’의 지원으로 전지의 특성을 크게 향상시킬 수 있는 차세대 리튬2차전지용 양극활물질과 새로운 제조법을 개발하는데 성공했다.

양극활물질은 음극활물질, 전해액, 격리막과 더불어 리튬2차전지의 4대 핵심재료이며, 우리나라는 이 물질을 대부분 수입에 의존하고 있다.

현재 상용화되어 있는 리튬2차전지의 양극활물질은 LiCoO2 (lithium cobalt oxide)인데 가격이 매우 비싸고 충/방전 전류량이 약 150 mAh/g 정도로 낮으며, 4.3Ｖ 이상의 전압에서는 결정구조가 불안정하고, 전해액과 반응을 일으켜 발화의 위험성을 갖고 있는 등 여러 가지 문제점을 갖고 있다.

기존의 LiCoO2 양극활물질을 대체할 수 있는 새로운 양극활물질은 LiNixMn(1-x)O2 (lithium nickel manganese oxide)와 3성분계 LiNixMnyCo(1-x-y)O2 (lithium nickel manganes cobalt oxide) 등이 있으며, 국내는 물론 해외 연구기관과 관련 업체들은 고성능 리튬2차전지를 개발하기 위해 새로운 양극활물질을 개발하는데 전력을 기울여 왔다.

김현수 박사팀은 차세대 리튬2차전지의 양극활물질로 주목받고 있는 고전압, 고용량 3성분계 양극활물질(LiNixMnyCo(1-x-y)O2)에 지르코늄(Zr)을 미량 도핑하여 4성분계 리튬2차전지용 양극활물질(Li[NixMnyCo(1-x-y)]pZr(1-p)O2)을 개발하였다.

이 양극활물질은 입자크기가 약 200～300나노미터 정도되는 나노소재로 4.5V 정도의 고전압 구현이 가능하고 용량이 약 180 mAh/g로 기존 제품(LiCoO2)에 비해 더 우수한 특성을 보여주고 있다.

뿐만 아니라 기존의 복잡한 제조 공정을 대폭 줄인 새로운 제조방법을 최초로 개발하여 제조 공정비 및 재료비를 크게 낮출 수 있게 되어 관련업계의 주목을 받고 있다.

이번 연구성과는 에너지소재분야 저명 학술지인 ‘Journal of Power Sources' 인터넷판 9월호를 비롯하여 6편의 SCI 논문에 게재되었으며, 국내에 특허 5건과 일본에 특허 1건을 출원하였다.

이번에 개발된 양극활물질은 기존 제품에 비해 성능이 우수하고 가격도 저렴하여 높은 국제경쟁력을 확보함으로써 수입대체 및 수출 증대 효과가 기대된다. 아울러, 리튬2차전지 관련 부품 및 소재 산업의 기술 자립과 선진화에도 크게 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

현재 리튬2차전지용 양극활물질의 세계시장 규모는 약 14,000톤, 약 6,700억원 (2005년 기준, Fuji Chimera Research Institute) 정도로 추산되고 있으며, 국내 양극활물질 수요는 세계시장의 약 20% 수준이다.

김현수 박사팀이 개발한 양극활물질은 앞으로 ▲ 휴대폰, PDA, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등 이동용 정보통신기기 ▲ 전기자전거, 지게차, 골프카트, 하이브리드 전기자동차, 로봇 등 고출력 대형 수송기기 ▲ 가정용 비상전원장치, 주야 부하조절용 전원장치 등 ▲ 무전기, 무인정찰장비 등 첨단 고성능 군수장비 ▲ 의료 및 항공우주용 등 다양한 분야의 고성능 2차전지에 광범위하게 사용될 것으로 기대된다.