KIST 김일두 박사팀, 6건 특허출원… 2∼3년내 상용화

기존 흑연계 2차전지의 용량과 출력 한계를 극복하는 동시에 나노소재의 높은 가격 문제를 해결한 2차전지용 나노소재 양산기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이 기술을 이용하면 기존 흑연소재 2차전지보다 충전시간은 반으로, 용량은 2배로 개선시키면서 나노소재보다 가격은 100분의 1 정도로 줄일 수 있어 전기자동차 실용화에 촉매제가 될 것으로 기대된다.

한국과학기술연구원(KISTㆍ원장 금동화) 에너지재료연구단 김일두(사진) 박사팀은 2차전지용 음극소재와 양극소재에 적용 가능한 그물 모양의 나노섬유 제조기술을 개발했다. 이 기술은 20나노미터 크기의 나노입자가 결합된 그물모양의 다공성 나노섬유를 만드는 것으로 연구진은 점도가 큰 고분자 안에 실리콘 등의 합성이 가능한 전구체를 넣어 분무기와 비슷한 기계로 뿌리는 방식으로 금속산화물 나노섬유를 만들었다.

2차전지가 전기자동차 등에 적용되기 위해서는 용량이 커야 할 뿐만 아니라 단위시간당 소비하는 에너지, 즉 출력 특성이 높아야 하는데, 이를 위해서는 소재를 나노크기로 줄임으로써 리튬이온이 빠르게 이동할 수 있게 해야 한다. 이 때문에 연구자들은 실리콘이나 주석 계열의 나노입자와 나노와이어 개발을 추진해 왔지만 나노입자의 경우 실리콘은 10그램당 약 50만원, 주석은 20그램에 약 15만원 정도로 가격이 너무 높아 대량 생산에 어려움이 있었다.

김일두 박사팀은 분무기와 비슷한 원리의 전기방사(Electrospinning) 기술을 이용해 나노섬유를 제조함으로써 기존 나노입자보다 가격을 100분의 1 수준으로 낮출 수 있게 했다. 또 나노와이어 안에 나노입자를 채운 구조를 채택, 리튬과의 반응으로 인한 체적 변화를 최소화함으로써 전지의 수명단축 문제를 크게 개선했다. 실험 결과 주석 계열의 나노섬유를 음극소재로 사용했을 때 2C(C-rate:방전율) 이상인 고율에서도 600mAh/g(Mili Ampere Hour/gram) 이상의 고용량 특성을 유지하는 것으로 나타났다.

KIST는 이 기술과 관련해 6건의 특허를 한국ㆍ미국ㆍ일본ㆍ중국ㆍPCT에 출원했으며, 2차전지 소재회사인 AMO(대표 김병규)에 기술을 이전, 2~3년 내에 상용화가 가능할 것으로 보고 있다. AMO는 KIST의 원천기술을 이전 받아 고출력, 고용량 2차전지 소재 양산에 나설 계획이다.

김일두 박사는 "1차원 나노섬유 구조를 가진 전극소재를 이용해 2차전지를 제조함으로써 높은 충ㆍ방전 효율과 고속 출력이 동시에 가능해졌다"며 "장시간 사용이 가능한 휴대용 2차전지와 고출력 특성이 필수적인 하이브리드 전기자동차 등에 활용가치가 높을 것"이라고 말했다.