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전기자동차 주행거리를 늘리는 신소재 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

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 개발된 것이다.

전기자동차 배터리인 리튬 이온전지 세계 시장은 2010년 약 115억 달러 규모에서 연평균 17.24%씩 성장했고 2013년 185억 4000만 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 장보윤 박사 연구진은 나노기술을 기반으로 하는 리튬이온전지 음극 소재인 산화규소(SiOx) 나노분말 제조기술과 노하우를 개발하는데 성공하고 지난해 말 국내 중소기업에 기술이전 계약(기술료 10억 400만원)을 체결했다.

연구원에서 개발한 기술을 이용해 제조된 산화규소(SiOx) 나노분말에는 리튬과의 반응성이 높은 실리콘(Si)이 포함돼 있다. 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 기존 공정 소요시간(8~10시간)보다 많은 100시간 이상의 연속공정도 가능하다는 장점이 있다.

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.