이차전지 음극재 국산화 기술 확보
한국에너지기술연구원은 지난 12일 쌀 도정과정에서 나오는 부산물인 벼 겉껍질(왕겨)을 이용해 이차전지 음극재로 쓰이는 나노구조 실리콘을 대량 생산하는 신공정을 개발했다고 밝혔다.
이번 신공정은 조원철·서명원 선임연구원팀이 왕겨를 600℃ 이상에서 5시간 이상 가공해 실리콘을 얻는 기존 ‘마그네슘 열환원법’ 대신 상온에서 50분 안에 실리콘을 대량 생산할 수 있는 ‘마그네슘 밀링 공정’과 모니터링 시스템을 구축한 것이다.
연구진은 이 연구 결과를 국제학술지 ‘나노 레터스’(Nano Letters)에 발표하고 10여건의 국내외 특허를 등록, 출원했다.
국내에서는 왕겨가 매년 70만톤씩 부산물로 발생한다. 왕겨에는 실리콘 원료인 나노구조 실리카가 20% 들어 있어 이 실리카를 실리콘으로 환원시키면 부피 팽창을 효율적으로 제어할 수 있는 이차전지 음극재를 만들 수 있다.
왕겨의 실리카를 실리콘으로 환원하는 데는 마그네슘 열환원법이 이용되지만 이 공정은 600∼900℃의 고온이 필요하고 5시간 이상 유지해야 하는 등 공정 설계가 어려운 단점이 있다.
연구진은 이 연구에서 마그네슘 분말을 환원제로 이용하는 마그네슘 밀링 공정을 개발, 상온·상압에서 50분 안에 왕겨의 실리카를 3차원 다공성 구조를 가진 나노구조 실리콘으로 환원시키는 데 성공했다.
이 공정의 실리카 환원 수율은 91.72%로 캐나다 토론토대 연구팀이 보유한 세계최고치(83.2%)를 능가했으며 이 나노구조 실리콘을 사용한 이차전지 음극재는 기존 탄소음극재보다 높은 용량을, 마그네슘 열환원법으로 제조된 실리콘 음극재와는 비슷한 성능을 보였다고 연구진은 설명했다.
조원철 박사는 “이 기술은 나노 실리콘 대량 생산화의 난제였던 마그네슘 열환원법을 대체할 수 있는 원천기술”이라며 “국산화율이 1%가 채 되지 않는 이차전지 음극재를 국산화할 수 있는 기술을 확보했다는 데 의의가 있다”고 말했다.
서명원 박사는 “왕겨에서 연간 3톤의 실리콘을 생산할 수 있는 통합 공정 기본 설계를 완료했다”며 “이차전지 음극재 등 에너지 소재 기업으로의 기술 이전과 후속 연구를 통해 실증을 진행할 예정”이라고 밝혔다.
