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배터리 음극재, 친환경 저온 합성법으로 개발한다

유독 용매 대신해 소량의 수증기로 낮은 온도에서 합성

배터리 음극재, 친환경 저온 합성법으로 개발한다
저온 합성법의 공정 메커니즘


[산업일보]
저장한 리튬이온을 방출하면서 전기를 발생시키는 음극재는 배터리 핵심소재 가운데 하나로 배터리의 용량, 수명을 좌우한다.

기존 고상 음극재 합성법은 높은 열처리 온도 등으로 인해 많은 에너지 소비가 필요하고 소재의 형상을 제어하는 데 어려움이 있었다. 형상제어에 유리한 액상 합성법도 연구됐으나 다량의 용매(증류수, 유기용매)가 사용되는 단점이 있다.

이에 한국연구재단(이사장 노정혜)은 임원빈 교수(한양대학교) 연구팀이 수증기를 이용해 음극재 소재를 낮은 온도에서 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 고상 원료에 수증기를 분사한 후 80도씨의 온도에서 표면에서부터 내부까지 상 합성을 유도해 균일한 입자 크기와 형상의 음극재를 합성하는 초미세 액상반응을 설계했다.

고온의 합성공정으로 인한 환경오염과 유독한 유기용매, 재료의 높은 가격 등을 극복하기 위한 것이다. 연구팀은 유독한 용매 대신 매우 적은 양의 수증기로 낮은 온도에서 합성할 수 있도록 했다.

연구팀에 따르면, 초미세 액상반응(sub-micro droplet reator)을 통한 고상합성법은 고상 원료에 수증기를 분사한 후 80도의 온도에서 물질의 표면에서부터 내부까지의 상합성을 유도해 균일한 입자 크기와 형상의 음극재를 제조했다.

나노미터 크기의 수증기 내부에서 소재합성 반응이 일어나게 해, 소재의 크기와 형상을 쉽게 제어할 수 있는 것이 특징이다. 기존 합성방법은 고온 조건과 유독한 유기용매와 고가의 재료를 사용하기 때문에 환경오염과 높은 에너지 소모문제가 있었다. 하지만 새로운 합성법은 유독한 용매 대신 수증기를 매우 적은 양으로 낮은 온도에서 재료합성이 가능해 친환경적이고 경제적이다.

초미세 액상반응법을 통해 Ca(칼슘)이 도핑(doping)된 Li3VO4음극재를 합성 했다. 나노미터 크기에 수증기 내부에서 합성된 Ca-doped Li3VO4은 소재 반응기의 크기를 나노미터로 제어해 고상합성법에 의해 합성된 소재에 비해 비표면적을 약 30배 증가시킬 수 있었다.

연구팀은 “저온 초미세 액상반응법은 리튬 배터리 음극재에 우수한 표면제어와 전기 화학적 성능 향상을 보여줄 수 있어, 향후 다양한 에너지 저장재료에 친환경적 합성법으로 폭넓게 응용될 수 있을 것”이라고 기대감을 드러냈다.
김진성 기자 weekendk@kidd.co.kr

안녕하세요~산업1부 김진성 기자입니다. 스마트공장을 포함한 우리나라 제조업 혁신 3.0을 관심깊게 살펴보고 있으며, 그 외 각종 기계분야와 전시회 산업 등에도 한 번씩 곁눈질하고 있습니다.

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