한국에너지기술연구원은 한유진·박상훈 박사 연구팀이 버려지는 흑연 부산물을 정제해 고순도의 흑연 음극재를 얻어냈다고 11일 밝혔다.

흑연은 전기차용 리튬이온배터리 음극재의 핵심 원료다.

음극재는 배터리 셀 무게의 30%를 담당하며, 흑연은 배터리 제조 원가의 10%를 차지한다.

우리나라는 음극재용 흑연의 90% 이상을 중국 수입에 의존하고 있어, 국제 정세에 따라 가격 급등과 수급 불안정성 등 문제가 발생할 수 있다.

실제 지난 7월 미국 상무부가 중국산 음극재용 흑연에 고율 관세를 부과하면서 앞으로 중국산 흑연의 안정적 수급에 차질을 빚을 수 있다는 우려가 나온다.

연구팀은 흑연 부산물의 금속 불순물을 처리하는 신공정을 개발해 상용 흑연 음극재와 비슷한 수준의 경제성을 갖는 흑연 음극재를 제작하는 데 성공했다.

흑연 부산물로부터 고순도·고성능 음극재를 확보하기 위해서는 부산물 내부에 남은 금속 불순물을 완벽히 제거해야 한다.

이를 위해서는 강한 산처리와 2천도 이상의 초고온 열처리 과정이 필요한데, 환경오염과 높은 비용이 발생하는 등 문제가 있다.

연구팀은 초음파 처리를 통한 표면 불순물 제거, 내부 금속 불순물 제거, 표면 탄소 코팅을 통한 구조 복원의 3단계 공정을 개발했다.

먼저 초음파 반응기를 이용해 가벼운 불순물은 떠오르게, 무거운 흑연 입자는 가라앉게 해 표면의 불순물을 제거한 뒤 '열 이동 편석 현상'(금속이나 세라믹 안에 남아 있던 불순물이 열을 가하는 과정에서 밖으로 이동해 표면에 모이면서 금속 산화물 형태로 변환되는 현상)을 활용해 흑연 내부에 잔존하던 금속 불순물을 산화물로 전환해 쉽게 제거할 수 있도록 했다.

마지막 단계에서는 흑연 표면에 탄소 코팅을 적용해 구조적 안정성과 전기화학적 성능을 크게 높였다.

실제 개발된 기술로 제조한 흑연 음극재는 최초 충·방전 효율이 92%에 달했으며, 용량은 1ｇ당 362mAh(밀리암페어시)로 상용 흑연 음극재와 동등한 수준을 보였다.

또한 200회 충·방전 후에도 초기 용량의 98%를 유지해 높은 안정성을 입증했다.

기존 기술보다 낮은 온도에서도 불순물을 효과적으로 제거할 수 있어 상용 흑연 생산 대비 비용을 60% 정도 절감할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 후속 연구를 통해 열 처리와 산 처리가 필요 없는 공정을 개발할 계획이다.