박기대 교수

충북대학교(총장 직무대리 유재수) 공과대학 신소재공학과 박기대 교수와 화학공학과 정상문 교수 연구팀이 차세대 리튬이온전지용 리튬 과잉 망간계(LMR) 양극재를 단일 분무열분해공정으로 수 초 만에 합성할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다.

이번 연구 성과는 에너지 저장 분야의 세계적인 국제학술지 Energy Storage Materials(Impact Factor 19.3)에 8월 온라인판에 게재됐다.

제1저자는 서효영 연구원(석사 졸업, 지도교수 박기대)이 맡았으며, 박기대 교수(대표 교신저자)를 비롯해 정상문 화학공학과 교수, 유영상 물리학과 교수, 한국원자력연구원 김형섭 박사가 공동 교신저자로 참여했다. 또한 미국 로렌스 버클리 국립연구소 연구진과의 국제공동연구를 통해 차세대 양극재의 구조를 세계 최고 수준의 방사광 분석기법으로 규명했다.

현재 상용 양극재는 대부분 공침법 기반의 다단계 합성공정을 사용하고 있다. 이 방식은 전구체 제조부터 세척, 건조, 소성까지 복잡한 공정을 거쳐야 해 많은 시간과 폐수가 발생하는 한계가 있다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 리튬을 초기 출발용액부터 포함하는 '무전구체·무수세 분무열분해공정'을 적용했다. 이를 통해 별도의 전구체 제조나 세척 과정 없이 수 초 이내에 LMR 양극재를 직접 합성하는 새로운 제조 전략을 세계 최초로 제시했다.

특히 이번 공정은 기존 제조공정을 획기적으로 단순화하면서도 연속 생산이 가능해 대량생산과 산업화에 유리한 기술로 평가된다.

이번 연구는 충북 지역 대표 글로벌 양극재 기업인 에코프로비엠의 산업 현장 수요를 반영해 추진된 산학협력 연구라는 점에서도 의미가 크다. 충북대 연구팀은 지역 이차전지 기업들과 긴밀한 공동연구를 통해 차세대 양극소재 원천기술 확보와 산업 적용을 지속적으로 추진하고 있다.

연구팀은 한국원자력연구원 하나로(HANARO) 연구용 원자로 기반의 중성자 회절 분석과 한국기초과학지원연구원의 첨단 분석장비, 미국 로렌스 버클리 국립연구소의 Advanced Light Source(ALS) 방사광가속기를 활용한 국제공동연구도 함께 수행했다. 이를 통해 기존 분석기법으로 확인하기 어려웠던 차세대 LMR 양극재의 구조 변화와 내부 미세구조를 세계 최고 수준의 분석기술로 규명하는 데 성공했다.

박기대 교수는 "분무열분해공정은 최근 차세대 양극재 제조기술로 국내 배터리 3사를 비롯한 글로벌 기업들이 큰 관심을 보이는 기술"이라며 "기존 공침법을 대체할 수 있는 유력한 제조공정으로 평가받고 있다"고 말했다.

사업책임자인 정상문 교수는 "이번 연구는 차세대 LMR 양극재를 초고속 단일공정으로 제조할 수 있는 새로운 패러다임을 제시한 성과"라며 "향후 공정 스케일업을 통한 기술사업화와 고에너지밀도 리튬이온전지 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것으로 기대한다"고 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 지역혁신 선도연구센터(RLRC) 사업과 과학기술사업화진흥원의 학연협력플랫폼 시범 구축사업(UNI-CORE), 인프라고도화 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.