정책브리핑 // 나노셀룰로오스를 활용한 2차전지 소재 개발 // 국립산림과학원 이창재 산림과학원장

[piaazhead]

나노셀룰로오스를 활용한 2차전지 소재 개발

• 일시 및 장소 : 2018-11-07 11:10, 대전청사
• 발    표    자 :   이창재 산림과학원장
• 엠    바    고 :   2018년 11월 7일 12시 이후 보도 가능

안녕하십니까? 국립산림과학원장 이창재입니다. 

   폭발위험 없이 오래 쓰는 차세대 종이 전지 핵심기술 개발에 대해서 말씀드리겠습니다. 

   저희 국립산림과학원과 울산과학기술원은 나무로부터 얻은 나노셀룰로오스(Nanocellulose)를 이용해서 폭발 위험성이 현저히 낮고 사용기간이 3배 이상 향상된 차세대 리튬-황 종이전지의 핵심 원천기술을 개발했습니다. 

   이번에 개발된 리튬-황 종이전지는 기존 전지에서 폭발을 일으키는 것은 플라스틱 분리막인데, 이것을 나무세포를 얇게 쪼갠 차세대 친환경소재인 나노셀룰로오스로 대체해서 고온, 충격 등 분리막 파괴에 의한 폭발 위험성을 제거한 것입니다. 

   또한, 나노셀룰로오스 분리막과 전극을 일체형으로 만드는 혁신적인 구조변경을 통해 늘리거나 구겨지는 조건에서도 정상적으로 작동해서 안전성을 높였습니다. 

   리튬-황 전지는 기존 리튬이온전지에 사용되는 코발트를 황으로 대체한 것으로 에너지 용량이 2배 이상이며 원료가격도 35분의 1로 절감될 수 있습니다. 

   반면, 황을 전극으로 사용해서 충전과 방전을 반복하면 황 부산물이 생산되는데 이는 전지의 용량과 수명을 급격히 감소시키는 원인이 됩니다. 이런 원인으로 인해서 아직 리튬-황 전지는 상용화되지 못하고 있습니다. 

   그러나 이번에 개발된 리튬-황 종이전지는 황 부산물의 발생을 억제시켜 기존의 리튬-황 전지에 비해 수명이 3배 이상 향상되었습니다. 

   또한, 리튬-황 종이전지는 형태를 자유롭게 변형시킬 수 있는데, 굽힘 반복시험에서 기존의 리튬-황 전지 대비 유연성이 2.5배 이상 크게 향상됐을 뿐 아니라 심하게 구긴 상태에서도 전지 성능이 정상적으로 구현되었습니다. 이는 향후 몸에 부착·착용해 사용하는 휴대전화 등 웨어러블 디바이스에서도 활용 가능하다는 것을 의미합니다. 

   리튬-황 종이전지는 국립산림과학원 신소재연구팀과 울산과학기술원 이상영 교수연구팀이 공동으로 개발한 국내 원천기술로 임산공학과 전지공학의 혁신적인 협업 성과라고 할 수 있겠습니다. 

   이번 연구 결과는 이미 국내특허가 출원됐으며 해외 특허출원을 준비 중입니다. 또한 관련 논문은 에너지 분야의 세계적 권위지인 '에너지와 환경과학(Energy and Environmental Science)' 온라인판에 게재되었으며 연구결과의 중요성을 인정받아 표지논문으로 선정된 바 있습니다. 

   참고로 인용지수는 논문이 얼마나 많이 인용되었는가를 수치로 나타낸 지수인데 이 저널의 인용지수는 30.1입니다. 세계적인 학술지 Nature의 인용지수는 41.6, Science는 41.0, Cell은 31.4입니다. 

   이번 리튬-황 전지 개발이 갖는 의미는 재생가능한 자원인 나무에서 얻을 수 있는 친환경재료로 전지원료를 얻은 것입니다. 또한, 기존 소재로는 달성하기 힘든 높은 수준의 성능이 확보된 휘어지는 리튬-황 종이전지를 구현했다는 것이라고 할 수 있겠습니다. 

   가볍지만 높은 에너지 용량을 가진 리튬-황 종이전지는 활용범위가 넓어 앞으로 우리 생활에 크게 기여할 것으로 기대됩니다. 

   현재 리튬이온전지를 사용하는 전기자동차는 1회 충전으로 서울~부산을 편도로 갈 수 있지만 차세대 리튬-황 종이전지로는 1회 충전만으로도 동일거리를 왕복할 수 있습니다. 

   또한 스마트폰, 디지털카메라 등과 같은 휴대용 전자제품에 사용될 경우 형태 변형이나 고온에 의한 폭발 위험성이 낮아져 국민 안전에도 크게 기여할 것으로 기대됩니다. 

   아울러, 기존의 리튬이온전지에 비해 무게가 크게 절감돼서 가벼우면서도 고용량 전지를 요구하는 드론과 같은 첨단산업 분야 전반에 상당한 파급효과를 가져올 것으로 예상하고 있습니다. 

   제가 개략적인 것을 말씀드렸고, 실제 이 연구를 담당한 이선영 연구관이 보다 상세한 내용을 설명드리도록 하겠습니다. 


[질문·답변]
※마이크 미사용으로 확인되지 않는 내용은 별표(***)로 표기하였으니 양해 바랍니다. 

<답변> (관계자) ***

<답변> 저희들이 이 연구를 하고 좀 질문을 받은 것 중에 하나가 2014년, 2015년도에 우리 과학원에서 '휘어지는 종이배터리'를 했었는데, 그것하고 직접적인 비교는 그것은 이렇게 휘어지는 것이고, 이번에는 막 구겨도 된다는 그런 차이가 있고요. 

    아까 제가 임팩트, 인용지수 말씀을 드렸는데, 그때 휘어지는 종이배터리로 실은 논문의 임팩트 팩터(impact factor)가 13이었어요. 이번에 이것은 30.1이고요. 저도 연구를 안 하는 저기니까 인용지수가 갖는 의미를 잘 모르겠는데, 연구하시는 분들은 엄청난 것이라고 그러더라고요. 그러니까 네이처나 사이언스 하면 KBS 뉴스, 이렇게 다 나오는 정도이고, 제가 알고 있기로는 임팩트 팩터가 생긴 이후에 농림업 분야에서는 우리나라에 이런 적이 하나도 없었고, 임업 분야는 없었고요. 그러니까 아마 그런 정도 된다고 생각을 합니다. 

   또 우리 이선영 연구관이 우리 과학원에 참 감사한 박사님인데, 주요 논문을 낼 적에 '교신저자'라는 게 corresponding author 그러는데, 우리 이선영... 울산과기원과 같이 했습니다만, 우리 이선영 연구관이 이렇게 교신저자로 아까 'Energy and Environmental Science'에 이렇게 실리도록 많이 기여를 한 박사입니다. 

<질문> ***

<답변> (관계자) ***

<질문> ***

<답변> (관계자) ***

<질문> ***

<답변> (관계자) ***

<질문> ***

<답변> (관계자) ***

<질문> ***

<답변> (관계자) ***

<질문> ***

<답변> (관계자) ***

<질문> ***

<답변> (관계자) ***

<질문> ***

<답변> (관계자) ***

<질문> ***

<답변> (관계자) ***

<답변> 그 부분을 제가... 

<질문> ***

<답변> 그러니까 그 부분을 제가 좀 말씀드리겠습니다. 

<질문> ***

<답변> 아까 말씀드렸듯이 아까 부산물이 생기는 것 때문에 리튬-황 전지는 상용화는 아직 안 된 겁니다. 

<질문> ***

<답변> 그러니까 상용화 할 수 있도록, 

<질문> ***

<답변> 그렇죠. 황을 사용함으로 발생하는 그 부산물, 

<질문> ***

<답변> 예. 

<질문> ***

<답변> (관계자) 예. 

<질문> ***

<답변> (관계자) 예. 

<질문> ***

<답변> (관계자) 코발트 대신 황을 썼지만, 전지를 오랫동안 사용할 수가 없습니다. 왜냐하면 이 황 부산물이 계속 양극으로 계속 이동해서 축적이 되기 때문에 전지가 수명이 짧아지고 용량도 계속 줄어듭니다. 그래서 그것을 막은 게 바로 저희 셀룰로오스를 이용해서 보시는 바와 같이 중간에 2개의 층을 놨더니 보시는 바와 같이 황 부산물이 전혀 발생되지 않았고요. 

   또 이 전지를 사용하다 보니까 저희가 나노셀룰로오스를 활용하다 보니까 기존의 황 전지는 보시는 바와 같이 양극, 음극에, 보시는 바와 같이 여기에 코발... 구리와 알루미늄 금속 집전체를 씁니다. 

   그래서 보시는 바와 같이 휠 수가 없어요. 전지가 이제 이러한 기계적인 변형이 생기면 취약해지는데, 저희가 만든 일체형은 보시는 바와 같이 이렇게 휘어지는 전지가 되기 때문에 앞으로 다양하게, 웨어러블 전지 또 아니면 가벼운 전지에 활용될 수 있다는 게 훨씬 더 큰 의미가 있다고 저는 생각하고 있습니다. 

<답변> 김 국장님 질문에 제가 이렇게 정리해서 말씀드리면 그렇게 드릴 수 있을 것 같아요. 지금 쓰고 있는 건 리튬이온전지이고, 리튬-황 전지가 개발되어 있는데, 황을 쓰다 보면 생기는 부산물 때문에 여러 문제점이 있어서 상용화되지는 못했고, 리튬-황 전지를 그대로 쓰는데 나노셀룰로오스를 이용해서 리튬-황 종이전지가 되니까 황을 또 쓸 수 있는 거고요. 

   전체적으로 보면, 원가절감이 한 35분의 1 된 거고, 아까 우리 박 기자님 말씀하셨던 그 부분은 그러니까 전지 전체에서 활물질이 차지하는 비중이 40%니까 35분의 1이니까 그래도 한 15분의 1 내지는 이렇게는 좀 줄어들었다고 한번 추정할 수 있지 않을까, 그렇게 봅니다. 

<질문> ***

<답변> 그렇죠. 예. 

<답변> (관계자) 네, 장점을 극대화시키고, 

<질문> ***

<답변> 예. 

<질문> ***

<답변> (관계자) 예, 황 때문이고요. 

<질문> ***

<답변> (관계자) 아니, 그것도 됩니다. 

<답변> 김 국장님 제가 말씀... 

<질문> ***

<답변> (관계자) 그게 왜냐하면, 기존의 플라스틱 분리막보다 나무에서 만든 분리막이 가격이 싸요. 

<질문> ***

<답변> (관계자) 가격이 싸요. 

<답변> 김 기자님 그러니까 이 부분이... 

<질문> ***

<답변> 이 부분이 혼동이 되게 좀 됐어요, 보도자료가 제가 보기에도. 리튬이온전지를 황전지로 전환했을 적에 에너지용량이 2배, 원료가 그 3분의 1이 된 거고, 그런데 황이 갖고 있는 문제점 때문에 못 쓴 거고, 

<질문> ***

<답변> 네, 그 본문, 여기 보도자료에 네모로 나와 있는 부분이 조금 혼동스럽게 됐습니다. 

<질문> ***

<답변> (관계자) 예를 들면, 특히 미국에서는 지금 군대에서요. 군인 옷에 모든 전자장치를 다 집어넣어서 아이언맨 프로젝트를 지금 추진하고 있어요. 그런 것처럼 우리가 이렇게 접을 수 있는 전지를 만약에 만들다 보면, 군인, 군대에서 사용하는 군복에도 이러한 전지를, 웨어러블 전지를 활용할 수가 있고요. 

   또 전지를 기존에는 각형으로 되어 있는 무거운 전지잖아요. 그래서 이 전지를 앞으로 접을 수 있고, 다양한 용도로 이제 활용할 수 있는 다양성, 디자인 다양성을 확보했다고, 확보할 수 있는 그런 기술이라고 보시면 될 것 같습니다. 

<질문> ***

<답변> 예. 지금 SDI나 지금 LG나 지금 접는 배터리를 개발 중이거든요. 그렇기 때문에 이제 이러한 기술이 마련이 되면, 앞으로 이러한 디자인, 핸드폰이나 이러한 전지의 다양성을 확보할 수 있는 그런 계기가 됐다고 보시면 될 것 같습니다. 

<질문> ***

<답변> (관계자) 예, 아직은 못했는데... 예, 이건 어차피 작년에 만든 거예요. 그래서 저희가 국내 출원은 다 했고, 이제 국내 출원 등록은 될 거고요. 이것은 이제 국제 출원 바로 할 겁니다. 국제 출원... 

<질문> ***

<답변> (관계자) 이것 올해요. 

<질문> ***

<답변> (관계자) 아니요. 올해, 지금 온라인으로 지금 게재가 됐고요. 지금, 

<질문> ***

<답변> (관계자) 예, 지금 인터넷에 올라와 있어요. 

<질문> ***

<질문> ***

<답변> (관계자) 아니, 개발은 했지만 논문으로 나온 것은 올해 11월이에요. 11월에 인터넷에 떴고요. 지금 거기 들어가시면 저희 논문 볼 수 있고요. 다음에 표지논문으로 선정됐다는 것도 볼 수 있고.

<질문> ***

<답변> (관계자) 예? 

<질문> ***

<답변> (관계자) 국내 출원은 저희가... 이것 올해 했습니다, 올해. 올해 봄에 했습니다. 

<답변> 그러니까 이게 국제저널이 보면요. 워낙, 

<질문> ***

<답변> (관계자) 올해 봄에 했습니다. 

<질문> ***

<답변> 그 구체적인 몇 월... 

<질문> ***

<답변> 그리고 그게 좀 늦어진 거는요. 이렇게 권위 있는 저널일수록 리뷰 하는 게 많이 걸려요. 그러다보니까 원래 그 과정에 대부분이 reject 되고 그러거든요. 이런 경우에는 신청한 것 중에 뭐 5%도 채택이 안 된답니다. 그 기간이 좀 걸렸던 걸로 저는 이해합니다. 

<질문> ***

<답변> (관계자) 아니요. 그렇게 되면 특허를 가질 수가 없습니다. 

<질문> ***

<답변> (관계자) 예. 저희가 지금 발표하는 것도 봄에 특허출원 하나만 가지고 이런 발표를 할 수가 없어요. 그리고 이것은 세계적인 잡지에서 학문적으로 인정받고, 그다음에 성과가 되는 그러한 결실, 결과이기 때문에 이렇게 저희가 저널 얘기도 드리고 그러는 겁니다.

   수고하셨습니다. 

<답변> 감사합니다. 

<끝>