에기연 "흑연 부산물을 이차전지 음극재로…원천기술 확보"

한국에너지기술연구원(이하 에기연)은 한유진·박상훈 박사 연구팀이 산업 공정에서 발생한 흑연 부산물을 정제해 이차전지용 '고순도 흑연 음극재'로 활용할 수 있는 원천기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

(왼쪽부터) 박성훈 책임 연구원, 이승민 인턴 연구원, 조산성 학생 연구원, 박준혁 학생 연구원, 한유진 박사. 한국에너지기술연구원 제공

흑연은 전기차에 적용되는 리튬이온 배터리 음극재의 핵심 원료다. 음극재는 배터리 셀 무게 중 30%가량, 흑연은 배터리 제조 원가의 10%가량을 차지한다.

현재 국내에서는 음극재용 상용 흑연의 90% 이상을 중국에서 수입하는 중으로 국제 정세에 따라 가격 급등과 수급 불안정 등 문제를 떠안는다. 실제 지난 7월 미국 상무부가 중국산 음극재용 흑연에 고율 관세를 부과하면서 향후 중국산 흑연의 수급 차질 우려가 부각되는 상황이다.

연구팀은 이러한 상황에 대응하기 위해 국내 산업 부산물을 고부가가치 음극재로 전환하는 기술을 개발했다.

흑연 부산물의 금속 불순물을 처리하는 새로운 공정으로 기존 공정을 대폭 축소, 상용 흑연 음극재와 동등한 수준의 경제성을 갖는 흑연 음극재를 만드는 데 성공함으로써 흑연 수입 의존도를 낮추는 효과를 기대할 수 있게 했다.

연구팀이 개발한 새로운 공정은 초음파 처리로 표면 및 내부 불순물을 제거하고, 표면 탄소 코팅으로 구조 복원 3단계를 거치는 게 핵심이다.

흑연 부산물에서 고순도·고성능 음극재를 확보하기 위해선 부산물 내부에 남은 금속 불순물을 완벽하게 제거하는 게 중요하다.

하지만 그간에는 불순물 제거를 위해 강한 산처리와 2000도 이상의 초고온 열처리 과정이 필요했고 이는 곧 환경오염과 고비용 등 문제로 이어졌다. 경제성이 낮아 흑연 부산물을 활용하는 데 제약이 따른 것이다.

그마저도 흑연 내부에 있는 불순물을 효과적으로 제거할 수 있는 기술이 부족해 재생된 흑연의 성능을 장담하기 어려웠다.

이와 달리 연구팀이 개발한 기술을 적용하면 낮은 온도에서도 불순물을 효과적으로 제거할 수 있어 경제성과 친환경성을 동시에 확보할 수 있다.

또 해당 기술로 제조한 흑연 음극재는 최초 충·방전 효율이 92%에 달하고, 용량은 1g당 362mAh/g로 상용 흑연 음극재와 동등한 수준을 보였다. 무엇보다 200회 충·방전 후에도 초기 용량의 98%가 유지돼 상용 흑연 음극재에 버금가는 안정성을 확보할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

한 박사는 "흑연은 최근 국가 전략 광물 중 하나로 중요성이 커지고 있다"며 "연구팀이 개발한 기술은 국내 산업계에서 발생한 흑연 부산물로 고부가가치 음극재를 확보, 안정적 흑연 수급을 통해 자립 기반을 마련하는 전환점을 마련하게 될 것"이라고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr