스마트카, 스마트 그리드, 로봇 등의 발전으로 리튬이차전지가 각광받고 있다. 리튬이차전지의 최대 수요처는 자동차산업이 될 전망이며, 2020년 이후 그 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 보인다.

황인상 기자 his@

리튬이차전지는 전기자동차부터 에너지저장, 로봇에 이르기까지 다양한 응용분야의 핵심기술로 부각되면서 산업적 중요성이 더욱 커지고 있다. 향후 리튬이차전지 산업에서 한·중·일간 치열한 싸움이 예상되는 가운데 경쟁력 확보를 위한 원천기술의 개발이 시급한 이유다.

리튬이차전지의 차세대 전극소재 개발에 매진

▲ 이창섭 교수

국내 SNE Research에서 2014년 예측한 자료에 의하면, 이차전지 시장은 2014년 21조원 규모에서 2020년 67조원 규모로 약 3배 정도 성장할 것으로 예측되며 연 18% 가량의 성장이 예상되고 있는 상황이다. 이차전지의 원재료 비중은 약 50%에 이르고, 이 중 양극활물질의 원가 비중은 이차전지의 17~20% 가량에 이르고 있기 때문에 이차전지 시장의 확대에 따라 양극활물질 시장의 규모도 높은 성장을 할 것으로 기대되는 상황이다. 최근 주목을 받고 있는 이창섭 계명대학교 화학과 교수는 최근 리튬이차전지의 차세대 전극소재를 개발하는 연구에 매진해왔다.

현재 리튬이차전지의 전극소재로 사용되고 있는 실리콘은 이론충전용량이 4,200mAh/g으로 탄소소재인 흑연보다 충전용량이 11배 크고, 가격이 저렴한 것이 장점이다. 그러나 충전과 방전이 장시간 이어질 때 부피팽창이 일어나 전지의 수명이 단축된다는 한계가 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 이창섭 교수는 계명대학교 표면분석화학연구실팀과 함께 리튬이차전지에 나노-실리콘/탄소나노섬유 복합체를 음극소재로 사용하는 기술 개발에 매진해 왔다. 이창섭 계명대학교 화학과 교수는 “나노-실리콘/탄소나노섬유 복합체는 화학기상증착법을 기반으로 실란류 화합물과 탄화수소를 사용하면 효과적으로 제조할 수 있다”면서 “이를 통해 실리콘의 부피 팽창 효과를 극소화하여 현재 리튬이차전지 전극소재의 문제점인 충·방전 효율의 한계와 짧은 수명, 충전 속도의 문제를 동시에 해결할 수 있다”고 설명했다.

나노-실리콘/탄소나노섬유 복합체의 장점은 이 뿐만이 아니다. 나노-실리콘/탄소나노섬유 복합체에 전이금속산화물을 코팅함으로써 전기전도도를 향상시키며, 전해질의 부반응을 억제하여 충전유지율을 향상시키고 아울러 전극의 수명을 연장할 수도 있다. 때문에 상용 리튬 이차전지의 에너지 밀도 및 수명을 획기적으로 증가시킬 수 있는 차세대 음극 및 양극의 핵심기술로 평가받는다. 이창섭 교수는 “이 기술을 통해 현재 우리나라가 세계시장에서 우위를 차지하고 있는 휴대전화뿐만 아니라, 앞으로 수요가 급증할 전기자동차, 수퍼캐패시터 및 전력저장용 전지 분야의 시장에서 경쟁력을 확보하는데 큰 역할을 할 것”으로 전망했다.

다양한 연구 수행하며 가시적 성과 거둬
지난 1991년 계명대학교 화학과에 부임한 이창섭 교수는 표면분석화학연구실을 개소하고 ▲화석연료에 포함되어있는 불순물을 제거하여 청정에너지를 만드는 데 사용되는 촉매 개발 ▲자동차 촉매전환기용 촉매 개발, 자동차 Oil cooler용 내열 및 난연성 고무호스 개발 ▲알루미늄 엣칭부산물의 가공에 의한 고순도 알루미나 제조공법 개발 등의 연구를 수행해왔다. 지금까지 40여 건의 국내외 연구 과제를 수행하였으며, 151편의 논문 게재 및 특허 등록 등의 연구 성과를 거두었다. 이러한 공로를 인정받아 이창섭 교수는 계명대학교 우수 연구교수상 2회, 비사학술상, International Association of Advanced Materials 로부터 Outstanding Scholar Award 수상, 각종 국내외 학술대회 우수논문상을 4회 수상하는 쾌거를 거두기도 했다.

2010년부터 독일의 Chemnitz 공과대학교 및 Bayreuth 대학교와 공동으로 탄소나노섬유 및 이를 응용한 이차전지 전극재료의 개발 연구를 시작한 이창섭 교수는 2012년 한국연구재단으로부터 ‘전이금속 촉매를 기반으로 한 탄소나노섬유의 합성 및 전극재료로의 응용’과제가 선정되어 본격적으로 탄소나노섬유에 대한 연구를 시작했다. 이후 2015년 5월에 리튬이차전지의 차세대 전극소재를 개발하는 연구로 ’지역혁신창의인력양성사업‘ 신규과제에 선정된 이후 대구의 성서공단에 소재한 (주)엘앤에프와 함께 해당 연구를 공동으로 수행 중이다. 이창섭 교수는 “(주)엘앤에프는 리튬이차전지 양극소재 분야에서 World top 3에 속하는 세계적인 기업으로, 현재 양극재만 생산하고 있다”면서 “이 기술과 역량을 계명대학교에서 개발하는 음극재에 적용한다면, 현재 국산화율이 1%에 불과한 음극재 시장에서도 앞으로 국내외에서 주도적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다. NM