제조비용 대폭삭감한 간단한 제조공정 개발, 접합시의 문제점 등 근본적 해결 선진국제품 비해 성능 우수·가격저렴 경쟁력 높아, 국내와 일본에 관련 특허 3건 출원 한국전기연구원 재료응용연구단 전지연구그룹 김현수 박사팀은 최근 (주)대정화금(대표이사 송기섭)과 공동으로 차세대 리튬2차전지의 양극활물질로 주목받고 있는 고전압, 고용량 3성분계 리튬2차전지용 양극활물질(LiNixMnyCo(1-x-y)O2)의 새로운 제조법 개발에 성공했다고 밝혔다. 또한 이 재료에 실리콘(Si)을 미량 도핑하여 전지특성을 대폭 향상시킨 수백나노크기의 4성분계 리튬2차전지 양극활물질(Li[NixMnyCo(1-x-y)]pSi(1-p)O2)도 개발했다. 김 박사팀은 과기부의 21세기프론티어연구개발사업 가운데 하나인 나노소재기술개발사업(단장 서상희)의 지원을 받아 이 양극활물질을 개발한 것이다. 양극활물질은 부극활물질, 전해액, 격리막과 더불어 리튬2차전지의 4대 핵심재료이며, 우리나라는 이 물질을 대부분 수입에 의존하고 있다. 현재 상용화 되어있는 리튬2차전지의 양극활물질은 LiCoO2(lithium cobalt oxide)로써, 이 재료는 가격이 매우 비싸고, 비용량이 145mAh/g으로 상당히 낮으며, 4.3Ｖ 이상의 전압에서는 결정구조가 불안정하고, 전해액과 반응을 일으켜 폭발의 위험성을 갖고 있는 등 여러 가지 문제점을 갖고 있다. 이에 따라 기존의 LiCoO2 양극활물질을 대체할 수 있는 새로운 양극활물질인 LiNix Mn(1-x)O2(lithium nickel manganese oxide)와 LiNixMnyCo(1-x-y)O2(lithium nickel mangan es cobalt oxide) 등에 대한 연구가 국내는 물론 해외 연구기관, 관련 업체들을 통해 활발하게 이루어져 왔다. 이번에 김 박사팀이 개발한 제조공정은 매우 간단하다는 특징이 있다. 기존에는 전구체(precursor)의 합성 시 원재료의 소비가 많았고 이후 수세(水洗), 여과(filtering), 건조 등의 공정과 총 3~5회에 걸친 반복된 분쇄 및 열처리공정을 필요로 하는 매우 복잡한 공정을 사용했다. 새로 개발된 제조 공정은 비용량 170 mAh/g 이상의 LiNixMnyCo(1-x-y)O2의 간단한 제조법으로 제조 공정비를 대폭 삭감할 수 있게 되었다. 또한 이 제조법을 이용하면 리튬수산화물(LiOH, lithium hydroxide) 등의 원재료비도 대폭 절감할 수 있다고 한다. 이 재료에 미량의 Si을 도핑한 활물질은 입자크기가 약 200~300 nm인 나노소재이며, 전지 내부저항, 수명특성 등 제반 전지특성이 10% 이상 향상되었다고 밝혔다. 국내 양극활물질 수요 연간 1200억원 이러한 공정을 거쳐 개발된 양극활물질은 그동안 개발된 선진국 제품에 비해, 성능이 우수하고 가격도 저렴하여 높은 국제경쟁력을 확보함으로써, 해외에 수출도 할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 또한 리튬 2차전지 관련 부품 및 소재 산업의 기술 자립과 선진화에도 크게 기여할 수 있을 것으로 전망되고 있다. 현재 리튬2차전지의 세계 및 국내시장 규모는 약 1조 4,500억원과 5,000억원 정도로 추산되고 있으며, 국내 양극활물질 수요는 년간 약 1,200억원 정도에 달하고 있다. 한편 연구팀은 이번에 기술개발과 관련하여 국내와 일본에 3건의 특허를 출원해놓은 상태이며 앞으로 공동개발업체인 (주)대정화금을 통해 제품의 상용화에 나설 계획이다. 朴美善 기자