이산화탄소, 이차전지 핵심 소재로 전환한다

이산화탄소, 이차전지 핵심 소재로 전환한다 

- 생기원, CO₂를 ‘고품질 나노탄소’로 전환하는 공정기술 세계 최초 개발
- 이차전지 핵심 소재로 활용, 탄소중립과 경제성 모두 충족하는 차세대 기술 

[뒷줄 왼쪽부터 시계 방향으로 양정훈 선임연구원, 김정필 수석연구원, 오은채 학생연구원, 김정아 학생연구원, 장재원 학생연구원]

 

이산화탄소, 이차전지 핵심 소재로 전환한다 

- 생기원, CO₂를 ‘고품질 나노탄소’로 전환하는 공정기술 세계 최초 개발
- 이차전지 핵심 소재로 활용, 탄소중립과 경제성 모두 충족하는 차세대 기술 

 

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 이산화탄소를 고품질 나노탄소로 전환하는 공정을 세계 최초로 개발했다. 
ㅇ 생기원 탄소경량소재그룹 김정필 수석연구원, 양정훈 선임연구원 연구팀은 이산화탄소를 고품질 나노탄소*로 전환하는 기술을 개발하고, 이차전지의 핵심 소재로 활용하는 후속 연구를 진행 중이라고 밝혔다. 

 * 나노탄소 : 탄소 원자가 나노미터 크기 구조로 배열된 소재

□ 이산화탄소를 산업용 소재로 전환하기 위해서는 많은 양의 에너지와 촉매, 특히 수소가 필요한데, 이산화탄소 전환으로 생산 가능한 소재는 현재까지 저가 소재에 머물러 있는 실정이다. 

ㅇ 수소만 하더라도 그린수소 기준 0.2 ton에 1백만 원을 상회하는 데 비해 이산화탄소 전환으로 생산할 수 있는 알코올 가격은 1㎏ 당 3,000 원 수준에 그쳐 값비싼 공정비용 대비 경제성이 떨어진다. 

 □ 연구팀은 이산화탄소로 전환할 수 있는 소재 가운데 가장 경제성 높은 소재인 ‘단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotubes, SWCNTS)’에 주목했다. 

ㅇ 단일벽 탄소나노튜브는 한 겹의 그래핀 시트가 원통형으로 말린 형태의 소재로, 그래핀, 풀러렌과 함께 대표적인 나노탄소 소재로 꼽힌다.

ㅇ 1㎏ 당 수백만 원이 넘는 가격에도 불구하고 반도체 및 이차전지의 핵심 소재로 사용되며 최근 수요가 급증하고 있는 추세이다. 

□ 연구팀은 우선 이산화탄소에서 탄소 성장을 방해하는 산소(O)를 빼내기 위해 수소(H₂)와 반응시키고, 이를 통해 생성된 메탄(CH₄)을 열분해 하는 방식으로 고품질 나노탄소를 제조하는 데 성공했다.

[이산화탄소 전환 공정을 통해 생산한 고품질 나노탄소]

ㅇ 열화학촉매 반응기를 활용해 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 공정이나 메탄을 열분해 시켜 탄소나노튜브를 제조하는 공정은 기존에도 사용돼 왔지만, 반응기 내의 가스 조성을 분석해 탄소나노튜브의 정밀한 구조를 규명한 것은 최초이다. 

□ 연구팀은 개발된 공정을 활용해 단일벽 탄소나노튜브 뿐 아니라 나노미터 단위의 탄소 원자가 배열된 다양한 구조의 나노탄소로 전환하는 기술을 확보했다.

ㅇ 이어 나노탄소 소재를 이차전지에 적용하기 위해 탄소나노튜브의 벽(wall)과 그래핀 층(layer)의 숫자에 따른 비표면적 변화를 계산하고, 이 변화가 이차전지 적용 시 전해질과 맞닿는 계면 형성에 어떤 영향을 미치는지 분석했다.

ㅇ 또한 계면 변화에 따라 달라지는 전해질의 분해 반응, 초기 쿨롱 효율, 가역 용량 등 계면 형성이 이차전지 특성에 미치는 연관성을 밝혔다.

□ 김정필 수석연구원은 “탄소나노튜브 구조를 규명해 이차전지의 핵심 소재인 고품질 나노탄소로 전환할 수 있는 공정기술을 확보했다”라고 말하며 “나노탄소 소재 상용화를 통해 이산화탄소를 줄이면서, 동시에 부가가치를 창출할 수 있는 후속 연구를 추진할 계획”이라고 밝혔다. 

 □ 양정훈 선임연구원은 “이산화탄소를 이차전지의 핵심 소재인 고품질 나노탄소로 전환하는 기술은 해외에서도 사례가 없는 차세대 기술”이라고 소개한 뒤 “다양한 형태의 온실가스가 배출되는 산업 현장에 적용하기 위한 실증연구를 준비하고 있다”라고 말했다. 

□ 이번 성과는 2022년부터 3년 간 과학기술정보통신부 개인기초연구사업 지원을 받아 창출됐으며, 지난 10월 재료과학 분야 국제 학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’*, 11월 화학공학 분야 국제학술지 ‘Energy & Fuels’**에 관련 논문이 실렸다.  

 * 논문제목 : ‘Negative Effect of the Calendering Process on the Interphase Formation and Electrochemical Behavior of Reduced Graphene Oxide Electrodes’

 

** 논문제목 : ‘Tandem thermocatalytic reaction for CO2 fixation into single-walled carbon nanotubes’

[한국생산기술연구원 천안 본원]

 

 

 

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