[4월 21일은 과학의날] 원자력연, 방사선 활용해 차세대 전지 기술 개발에 구슬땀

한국원자력연구원

한국원자력연구원(이하 원자력연)은 방사선 기술을 활용해 다양한 분야에서 국민 삶에 기여하고 있다. 국민 체감형 연구개발(R&D)을 통해 건강과 삶의 질 향상을 위한 연구를 꾸준히 수행하면서다. 원자력연 연구진은 그동안 암 진단과 질병 치료를 위한 방사성동위원소를 생산하고 악취 문제 해결 등 방사선을 활용하는 연구 성과를 발표했다. 여기에 더해 차세대 전지 기술 개발에 나서면서 잇달아 관련 성과도 잇따르고 있다. 전자빔을 이용해 안전한 배터리를 대량 생산할 수 있는 신기술을 개발하는가 하면 중성자를 활용해 차세대 2차전지 수명 저하 난제를 풀기도 했다. 전자선을 활용해 생산 단가를 대폭 줄인 연료전지 촉매 제조기술 개발 등 여러 성과를 낳고 있다.

원자력연 연구진이 중성자소각산란장치에 양극소재 시료 분석을 위한 실험을 하고 있다. 원자력연 제공

▲중성자로 차세대 2차전지 수명 저하 난제 해결=전기차나 휴대폰, 노트북 등에 흔히 사용되는 2차전지 리튬이온전지의 차세대 양극재로 최근 하이 니켈 양극재가 주목받고 있다. 양극재는 배터리 성능을 좌우하는 배터리 핵심 요소로 가격이 비싸 새로운 양극 소재 개발 경쟁이 치열한 상황이다. 하이 니켈 양극제는 니켈·코발트·망간을 함유한 양극재 중 고가의 코발트 일부를 니켈로 대체해 니켈 비중을 90%까지 높인 소재다. 가격을 낮추면서 높은 에너지 밀도를 이용해 저장 용량을 크게 늘릴 수 있다. 다만 하이 니켈 양극재는 합성이 어렵고 이 과정서 입자 내부에 아주 미세한 기공이 발생해 수명이 줄어드는 한계가 있었다.

원자력연 하나로양자과학연구소 김형섭 박사팀은 2023년 차세대 2차전지로 주목받는 '하이 니켈 배터리' 수명을 높일 수 있는 방법을 찾아냈다. 연구팀은 한국표준과학연구원(표준연) 박혁준 박사와 충남대 진형민 교수팀과 공동연구를 통해 중성자 활용 장치를 통해 하이 니켈 양극재 합성 과정에서 열처리 조건에 따라 나노 크기의 미세한 결함이 얼마만큼 발생하는지 정량화했다. 조건에 따라 결함의 크기와 양을 정량적으로 알아낸 것이다. 연구팀은 결함을 최소화할 수 있는 최적의 열처리 조건을 찾아 저온 전처리 공정을 거칠 때 부산물 형성이나 나노 크기의 결함이 줄어들어 배터리 수명을 기존보다 10% 높일 수 있는 것을 증명했다.

하나로 냉중성자 연구시설.

이번 연구에 활용된 장치는 국내 유일의 중성자 연구시설인 하나로의 중성자 소각 산란 및 회절 장치다. 특정 물질에 충돌시켜 반사되는 중성자를 측정해 물질의 성질을 분석하는 첨단 장비로, 특정 물질의 원자핵과 직접 반응하므로 원자의 위치, 움직임 같은 물질의 미세 구조와 운동까지 광범위하게 파악할 수 있다. 정영욱 하나로양자과학연구소장은 "기존 X-선이나 전자현미경보다 중성자가 물질 특성 분석에 더 탁월하다"고 설명했다.

▲전자빔으로 안전한 배터리 대량생산 길 열어=원자력연 선진핵주기기수개발부 최은영 박사팀은 방사선 기술을 이용해 안전하고 경제적인 반고체 배터리 생산 공정을 개발했다. 전 세계적으로 개발 경쟁이 치열한 차세대 배터리 산업에서 선도 주자로 도약할 새로운 돌파구를 찾은 성과다.

최은영 박사팀은 POSTECH 화학과 박수진 교수팀, 저자빔 이용 신소재 전문기업 (주)제브와 산·학·연 공동연구를 통해 전자빔을 이용해 반고체 배터리를 한 번에 대량 생산하는 '원팟'(one-pot) 신기술을 개발했다. 전자빔을 조사할 때 배터리 내부 재료들이 받는 영향을 각각 분석해 최적의 조사선량을 도출하고 기존 상용화된 액체 전해질의 파우치형 배터리를 쌓아 올려 최적화된 선량만큼 전자빔을 조사해 한 번에 대량 생산이 가능한 공정을 개발한 것이다.

전자빔을 이용한 겔(반고체) 전해질 배터리 제조 모식.

리튬이온배터리의 액체 전해질은 폭발 위험이 있어 전 세계적으로 전고체 배터리 개발 경쟁이 치열하다. 전고체 배터리는 높은 안전성을 보이지만 이온전도도가 낮아 효율이 떨어지고 값이 비싸 상용화까지 시간이 걸릴 것으로 예상되고 있다. 이들의 대안으로 액체와 고체 사이의 반고체 배터리는 상대적으로 안전하지만 겔 타입의 전해질을 만들기 위해 화학물질이나 열처리가 필요해 배터리 성능에 영향을 미칠 수 있는 한계가 있다.

원자력연 연구진이 냉중성자 연구시설에서 연구를 하고 있다. 원자력연 제공

▲전자선으로 수소연료전지 상용화 앞당긴다=원자력연 연구진은 2023년 전자선을 활용해 고가의 백금을 기존 대비 절반가량만 사용하고도 고품질의 성능을 구현하고 대량생산까지 가능한 연료전지 촉매 제조기술을 개발하고 상용화를 위한 기술이전을 완료했다.

원자력연 하나로이용부 엄영량 박사 역구팀은 전자선을 활용해 백금 사용량을 기존 대비 40%가량 줄이면서 대량생산이 가능한 코어(중심)-쉘(껍데기) 구조의 수소연료전지 촉매 제조기술을 개발했다.

수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응으로 전기와 열을 생산한다. 그 중 고분자전해질 연료전지는 발전장치 구성 시 부피와 무게가 크게 증가하지 않아 모빌리티에 많이 적용되고 있다. 이러한 연료전지의 촉매로 백금-탄소 복합체가 사용되는데, 백금의 비싼 가격과 약한 내구성으로 인해 대체물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

일반적인 수쇼연료전지용 촉매 제조 방법은 전기 도금법이나 초음파를 활용한 공정 등이 있다. 그러나 용매나 전구체 종류 선정이 까다롭고 가스의 압력을 조절하며 입자 배열을 조정하는 특수 열처리를 하기 때문에 제조 시간이 오래 걸리고 대량생산이 어렵다는 한계가 있다.

이에 비해 전자선 조사법은 용매나 전구체 종류에 상관없이 용액에 전자선을 조사했을 때 1~3분 이내 화학반응이 이뤄지면서 대용량 전기로를 사용한 단순 열처리만으로도 제조가 가능하다. 전자선은 파장이 짧고 에너지 효율이 높은 방사선으로, 물질에 쪼였을 때 산화와 환원 반응이 빠르게 진행된다.

이번에 개발된 기술은 10MeV(메가전자볼트)급 고에너지 전자선을 활용해 한번에 50리터 정도의 대용량 조사가 가능해 기존 그램(g) 단위에 비해 킬로그램(㎏) 수준의 촉매를 제조할 수 있다.

정영욱 하나로양자과학연구소장은 "해당 기술을 통해 탄소중립을 실현하기 위한 수소연료전지 상용화에 이바지할 것"이라며 "앞으로도 지구의 미래를 위한 방사선 기술 개발에 최선을 다하겠다"고 말했다. 임효인 기자