리튬배터리 핵심소재 '흑연' 유해물질 없이 제조한다

지질자원연, 친환경 고순도 흑연 제조 기술 개발
순도 높고 가격 낮춘 기술로 국내와 중국 특허 확보
친환경 고순도 흑연 제조 기술 공정 흐름도. 지질자원연에서 개발한 친환경 흑연 제조 기술은 기존 정제법에 비해 후처리와 폐수처리에 드는 비용이 저감된다.<사진= 한국지질자원연구원>친환경 고순도 흑연 제조 기술 공정 흐름도. 지질자원연에서 개발한 친환경 흑연 제조 기술은 기존 정제법에 비해 후처리와 폐수처리에 드는 비용이 저감된다.<사진= 한국지질자원연구원>

리튬이온배터리 등 이차전지의 핵심 소재로 사용되는 흑연을 유해물질인 불산 사용없이 친환경적으로 제조할 수 있는 기술이 개발됐다.

한국지질자원연구원(원장 김복철)은 장희동 광물자원연구본부 자원활용연구센터 박사 연구팀이 고순도 흑연 정제시 불산 정제법 대신 킬레이트 침출, 저온소다배소 방법을 적용해 '친환경 고순도 흑연(99.99%이상)' 제조에 성공했다고 7일 밝혔다.

자연에서 채굴되는 흑연은 최적 조건에서 70~80%의 순도를 나타낸다. 고순도 흑연 정제를 위한 습식제련법에는 불산과 같은 유독물질이 사용된다. 이는 다량의 폐수가 발생하고 후처리 비용이 과대해 경제적, 환경적으로 바람직하지 않다. 건식제련법 역시 염소가스와 같은 유독가스가 사용되거나 2700℃ 정도의 높은 온도가 요구돼 위험성과 에너지 비용 문제가 존재했다.

불산을 사용하는 흑연 생산 정제법은 공정이 비교적 간결해 유독물질로 환경오염 등의 문제가 있음에도 상업적인 고순도 흑연 생산을 위한 가장 보편적인 방법으로 사용돼 왔다. 하지만 최근 중국을 비롯한 여러 국가에서 불산 정제법을 사용하는 공정이 제한돼 고순도 천연 흑연 공급이 어려운게 사실이다.

연구팀이 개발한 정제법은 염산침출, 킬레이트 침출, 저온소다배소 공정의 습식 제련법이다. 연구팀은 각 공정에 투입되는 시약의 양, 반응온도와 반응 시간 등을 최소로 유지하는 최적 조건을 도출해 순도 99.99% 이상의 흑연을 확보하는데 성공했다.

이는 불산을 이용한 정제법에 비해 후처리와 폐수처리에 드는 비용이 저감된다. 불순물 제거를 위한 킬레이트 침출과 저온소다배소 공정을 추가해 친환경적이고 효율적인 제조 기술로 평가된다. 특히 비용도 기존에 비해 70% 수준으로 경제성도 높다. 연구팀은 이번 개발 기술로 국내와 중국 특허를 확보했다.

자동차용 이차전지 시장조사 업체인 SNE리서치에 의하면 흑연은 전 세계에 약 7100만톤이 매장돼 있다. 이중 중국의 매장량이 77%인 5500만톤을 차지한다. 리튬이온 2차전지 음극소재 시장은 중국이 65%, 일본이 30%를 차지하고 있다. 2019년 기준 음극소재 수요량은 약19만톤이며 2025년까지 전체 음극활물질 수요량은 약 136만톤 수준이다.

기술개발을 주도한 장희동 박사는 "이번에 개발한 친환경 고순도 흑연 제조 기술은 기존 99.9%보다 순도가 높은 99.99% 이상의 최고 순도 흑연 정제 기술"이라며 "친환경성과 경제성의 장점을 바탕으로 중국 등 기술이전을 통해 기술 효용성을 높이겠다"고 말했다.

김복철 원장은 "친환경 고순도 흑연 제조기술은 차세대 에너지 원료에 효과적으로 적용할 수 있는 우수한 연구성과로 국내외 기술이전을 적극 지원 할 것"이라고 강조했다.
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