흑연 폐자원으로 배터리 음극재 생산… 제작비용 최대 60% 절감

버려지는 흑연 부산물에서 고순도의 배터리 음극재를 생산할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이 기술은 폐자원을 자원화하는 동시에 배터리 제조비 절감과 원자재 수급 안정화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

한국에너지기술연구원은 9월 11일, 한유진·박상훈 박사 연구팀이 흑연 부산물 속 금속 불순물을 정제해 리튬이온배터리용 고순도 흑연 음극재를 제조하는 데 성공했다고 밝혔다. 특히 연구팀은 새로운 세정 공정을 도입해 상용 제품과 견줄 수 있는 성능과 경제성을 확보했다는 점에서 의미가 크다.

흑연은 전기차용 리튬이온배터리에서 음극재로 사용되는 핵심 물질로, 셀 무게의 30%를 차지하고 배터리 제조 원가의 약 10%를 점유한다. 하지만 우리나라는 음극재용 흑연의 90% 이상을 중국에 의존하고 있어 공급망 리스크가 꾸준히 제기돼왔다. 실제로 지난 7월에는 미국의 수입 규제가 시행되면서 중국산 흑연 제품의 국제 거래 불안이 커지고 있다.

기존 음극재용 흑연을 정제하기 위해서는 2천도 이상의 초고온 열처리와 고농도 산처리 과정이 필요했고, 이로 인한 환경 비용과 제조 단가 상승이 문제로 지적돼 왔다. 연구팀은 이를 개선하기 위해 초음파 세정, 열이동 편석 현상을 활용한 금속 산화물 제거, 탄소 코팅을 통한 구조 안정화라는 3단계 기술을 개발했다. 이 공정은 환경 피해를 줄이면서도 효율적으로 불순물을 제거해 상용화 가능성을 높였다.

이번 기술로 생산된 흑연 음극재는 초기 충·방전 효율이 92%에 이르렀고, 1그램당 용량은 362mAh로 기존 상용 기준과 동등한 수준을 기록했다. 또 200회 충·방전을 반복한 뒤에도 초기 용량의 98% 이상을 유지하며 높은 내구성을 보여줬다. 특히 기존 공정보다 낮은 온도에서 불순물을 제거할 수 있어 제조 비용을 최대 60%까지 줄일 수 있다는 점도 주목된다.

연구팀은 향후 열 처리나 산처리 과정이 전혀 필요 없는 친환경 저비용 공정 개발에도 나설 계획이다. 이번 기술이 상용화된다면 리튬이온배터리 산업의 공급망 리스크를 완화하고, 국내 자원 순환 체계 강화에도 긍정적 영향을 줄 것으로 전망된다.