대부분의 전자제품에는 ‘리튬이온’ 계열의 배터리가 들어간다. 최근 안전성이 크게 향상되면서 전기자동차에도 이 배터리가 쓰일 정도로 사용이 점점 늘고 있다. 사회 전체에 영향을 미치는 기반산업인 셈이다. 이 가운데 리튬이온 배터리의 용량과 수명을 크게 늘릴 수 있는 ‘배터리 음극재’ 합성기술을 국내 연구진이 새롭게 개발했다. 한양대 임원빈 교수 연구팀은 수증기를 이용해 신개념 음극재 소재인 ‘리튬 바나데이트(Li₃VO₄)’를 낮은 온도에서 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 

배터리 용량과 전압을 개선하기 위해 과거에는 ‘양극재’ 성능을 높이는 연구가 주를 이뤘다. 말 그대로 배터리의 양극(+)을 만드는 소재로, 배터리의 핵심부품이다. 음극재는 배터리의 음극(-)을 만드는 소재다. 양극에서 나온 이온을 저장했다가 방출하면서 전기를 만드는 일을 한다. 과거에는 배터리 용량을 늘리기 위해 양극재를 새롭게 개발하는 일이 많았지만 최근에는 음극재 역시 높은 관심을 받고있다. 과거에는 흔한 탄소 등을 사용했지만 최근엔 다양한 복합소재로 성능을 높이려는 시도가 많다.

복합소재를 만들기 위해선 공정상 여러가지 어려운 점이 생긴다. 새로운 물질을 합성하는 것이라서 높은 온도의 열처리가 필요한데, 생산과정에서 많은 에너지가 필요하다. 소재의 형상을 제어하는 데도 어려움이 있었다. 형상제어에 유리한 ‘액상 합성법’도 있지만 이 경우는 다량의 용매(증류수, 유기용매)가 필요하다는 점이 걸림돌이 됐다.

임 교수팀은 액체가 아닌 수증기를 사용해 이 문제를 해결했다. 음극재 원료에 고온의 수증기를 분사한 결과 적정한 온도를 음극재 표면에서부터 내부까지 유지하는데 성공하고, 원하는 형태로 음극재를 자유자재로 합성하는데 성공했다. 연구팀은 이 방법에 ‘초미세 액상반응법’이라는 이름을 붙였다. 기존 고온 합성공정으로 인한 환경오염과 유독한 유기용매, 재료의 높은 가격 등을 극복할 수 있을 것으로 보인다.

연구팀 관계자는 “초미세 액상반응법을 통해 Ca(칼슘)이 도핑(doping)된, 신개념 음극소재 리튬바나데이트(Li3VO4) 합성에 성공한 것이 이번 연구의 성과”라며 “기존 합성법과 비교하면 비표면적을 약 30배 증가시킬 수 있어 배터리의 성능을 큰 폭으로 늘릴 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 5월 25일 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업, 선도연구센터지원사업을 통해 지원 받았다.