울산과학기술대 조재필 교수팀

전기자동차와 하이브리드 자동차는 지구온난화, 환경보호 등과 맞물려 현재 전세계 산업계에서 가장 주목받는 산업이다. 그러나 안타깝게도 두 방식 모두 ‘전지’의 장벽에 막혀 있다. 휘발유나 경유를 보충하는 것만으로 주행이 가능한 자동차들이 연비를 꾸준히 높여야 하는 과제를 가지고 있다면, 전기·하이브리드 자동차는 전기 배터리의 용량과 충전 시간이 관건이다. 현재까지 개발된 전기·하이브리드 자동차가 활발하게 보급되지 못하고 가격이 높은 것도 결국 연료를 대신할 전기를 공급하는 전지가 완벽하지 않기 때문이다.

이런 가운데 국내 연구진이 기존의 리튬이차전지 기술과 비교해 충전시간을 30분의1에서 최대 120분의1까지 줄일 수 있는 원천기술을 개발했다. 조재필 울산과학기술대(UNIST) 친환경에너지공학부 교수는 13일 “리튬이차전지의 출력과 용량을 동시에 획기적으로 높이고, 충전시간은 최소화할 수 있는 전극 소재를 개발했다.”고 밝혔다. 연구결과는 화학 분야 권위지인 ‘앙게반테 케미’ 최신호에 ‘핵심 논문’으로 소개됐다.

리튬 등 일반적인 이차전지용 전극소재는 분말 형태다. 이 분말 입자의 크기를 줄이면 충전과 방전 속도를 빠르게 할 수 있다. 하지만 일정 수준 이하로 분말 입자를 작게 만들 경우 전극의 밀도가 떨어져 전지의 용량이 줄어드는 ‘양날의 칼’이 된다. 조 교수팀은 유기용매를 첨가한 ‘수열 합성법’으로 20나노미터(㎚·10억분의1m) 크기의 1차 미세입자를 낮은 온도에서 짧은 시간에 제조한 뒤, 이를 흑연 용액에 분산시켜 2차 입자를 만들어냈다. 이어 이 입자를 섭씨 600도에서 열처리하자 2차 입자 내부에서 전기(전도성) 네트워크가 형성되고 동시에 분말의 밀도도 높아졌다. 연구팀이 이렇게 만들어진 분말로 양극소재를 합성하자 전지의 충전시간은 기존의 기술에 비해 30분의1~120분의1 줄었고, 특히 완전히 방전된 상태에서 극히 짧은 시간인 6초 만에 전지용량의 50%가 충전됐다. 조 교수는 “이번 기술을 적용하자 전극의 밀도는 기존 소재보다 40%, 공정에서 성공적으로 결과물이 얻어지는 수득률은 20% 높을뿐더러 화학적으로 손쉽게 합성이 가능한 것으로 나타났다.”면서 “후속 연구를 통해 1분 내에 완충이 가능한 전기자동차용 이차전지를 개발할 것”이라고 밝혔다. 리튬이차전지의 세계시장 규모는 2010년도 기준 100억 달러를 돌파했고, 올해는 전기자동차용 중대형 전지시장의 확대로 200억 달러를 돌파할 것으로 예상된다. 이중 전극소재 시장은 80억 달러 정도로 추산된다. 연구팀은 이번 연구결과를 국내외에 특허 출원했다.

박건형기자 kitsch@seoul.co.kr