전자레인지 원리로 나트륨 이온 전지 음극재 제조

KERI 연구팀이 마이크로파 유도 가열 제어 기술로 나트륨 이온 전지의 음극 소재인 '하드 카본'을 빠르게 제조하고 있다. KERI 제공

국내 연구팀이 전자레인지 원리를 활용해 차세대 이차전지인 나트륨(Na) 이온 전지의 음극을 30초 만에 제조하는 기술을 개발했다.

한국전기연구원(KERI)은 김대호 나노융합연구센터 책임연구원, 박종환 책임연구원 연구팀이 마이크로파 유도 가열 기술로 나트륨 이온 전지의 하드 카본 음극을 30초 만에 고속으로 제조하는 공정 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'에 공개됐다. 

나트륨 이온 전지는 현재 널리 쓰이는 리튬(Li) 이온을 나트륨 이온으로 대체한 전지다. 나트륨은 소금(NaCl)의 주성분으로 매장량이 리튬의 1000배 이상 많고 채굴·제련도 쉽다. 전지 내부에서 전기화학적 안정성이 높고 고속 충·방전에 유리하다. 낮은 온도에서도 성능이 잘 유지되는 등 장점이 많다.

나트륨 이온 전지는 제조 과정이 매우 까다로워 에너지 밀도가 낮고 수명이 짧다는 점이 해결 과제다. 나트륨 이온은 리튬 이온보다 입자가 커 기존 음극재인 흑연(C)보다 분자층 사이가 먼 하드 카본이 활용된다.

하드 카본은 자연계에 존재하지 않아 인공적으로 만들어야 한다. 공기가 통하지 않는 공간에서 식물·고분자 재료인 탄화수소를 1000℃ 이상의 고온으로 오랜 시간 태우는 탄화 공정이 필요하다. 과정이 까다로워 경제·환경적으로 부담이 크고 나트륨 이온 전지 상용화의 걸림돌로 작용했다.

박종환 책임연구원은 "전기차 화재 사건 등으로 나트륨 이온 전지가 주목받았지만 음극재를 만드는 탄화 공정이 에너지 효율이나 비용 측면에서 큰 열세였다"고 말했다.

KERI 연구팀이 개발한 마이크로파 유도 가열 장비. KERI 제공

연구팀은 전자레인지에서 음식을 가열하는 원리인 마이크로파를 활용한 급속 가열 방법을 제시했다. 고분자 원료에 전기가 잘 통하는 소재인 탄소나노튜브를 조금 섞어 필름을 만들었다. 마이크로파 대역의 자기장을 가하면 탄소나노튜브에 유도 전류가 발생하면서 필름 소재만 선택적으로 가열되는 원리다.

실험 결과 30초 만에 1400℃ 이상으로 고속 가열됐다. 하드카본을 만드는 데 필요한 고온을 간편하게 달성한 것이다.

연구팀은 자체 개발한 '멀티피직스 시뮬레이션(Multiphysics Simulation)' 덕분에 마이크로파 대역의 자기장이 나노소재에 가해질 때 일어나는 복잡한 과정을 이해하고 신개념 공정을 만들 수 있었다고 설명했다.

김대호 책임연구원은 "마이크로파 유도 가열 기술은 하드 카본을 빠르고 쉽게 제조할 수 있어 나트륨 이온 전지의 상용화에 크게 기여할 것"이라고 설명했다.

연구팀은 후속 연구를 통해 대면적의 하드 카본 필름을 연속적으로 대량 생산할 수 있는 기술 개발하는 것이 목표다. 또 마이크로파 유도 가열이 도온 공정이 필요한 전고체전지 등에서도 활용될 것으로 보고 개발된 기술의 활용 범위를 넓혀갈 예정이다.

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]