리튬이온배터리 필수소재 '고순도 흑연' 친환경 정제기술 나왔다

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한국지질자원연구원팀, 99.99% 순도 흑연 제조공정 개발

장희동 한국지질자원연구원 책임연구원(가운데)과 연구진이 친환경 고순도 흑연 정제 과정을 시연하고 있다. 한국지질자원연구원 제공

현재 휴대전화부터 전기자동차까지 대부분의 전자제품에 널리 쓰이는 리튬이온배터리에는 음극소재로 흑연을 사용한다. 그 동안 흑연을 제조하기 위해서는 인체와 환경에 유해한 불산을 사용하는 공정이 필요했는데, 불산을 쓰지 않고 친환경적으로 고순도 불산을 생산하는 기술이 개발됐다.

한국지질자원연구원은 장희동 광물자원연구본부 책임연구원팀이 비용은 70% 수준으로 줄이고 유해한 화학물질 사용은 대폭 낮춘 안전하고 친환경적인 고순도 흑연 제조 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

흑연은 자연 채굴 당시 순도가 70~80% 수준에 머무른다. 배터리 등에 이용하기 위해서는 이를 선광해 순도를 99.9% 수준으로 높이는 과정이 필요하다. 이를 위해 알칼리나 불산 등을 이용하는 정제 방법과, 2700도의 고온에서 처리하는 정제 방법이 널리 쓰였다. 하지만 이 방법들은 인체와 환경에 해로운 불산 등의 유독물질을 사용하고 공정을 거치면서 폐수가 발생한다는 단점이 있었다. 최근에는 환경 오염 문제로 중국 등 여러 국가에서 사용이 제한되면서 대체 공정 개발이 시급했다.

장 책임연구원팀은 염산과 '킬레이트' 침출 공정을 적절히 조합해 불순물을 제거하는 새로운 기술을 개발했다. 킬레이트는 마치 집게처럼 생긴 구조를 지닌 분자로, 마치 집게 구조의 끝부분으로 물체를 '집듯' 금속이온과 결합하는 화합물이다. 연구팀은 이 공정을 이용해 불순물을 1차로 제거한 뒤, 저온 상태에서 소다를 가하고 다시 염산으로 불순물을 추가 제거하는 방법으로 순도 99.99%의 고순도 흑연을 제조하는 데 성공했다. 이는 리튬이온배터리의 흑연 순도 기준인 99.9%보다 더 높은 순도다.

장 책임연구원은 “불산을 사용하는 기존 공정에 비해 시약 비용과 폐불산 처리비용 등을 절감해 전체적인 비용을 기존의 70% 수준으로 낮추면서 순도는 오히려 높였다”며 “중국 등 국내외 기업체로 기술이전할 예정”이라고 말했다.

한국지질자원연구원이 개발한 친환경 고순도 흑연 제조 기술은 기존 황산과 불산을 이용한 기존 정제법에 비해 후처리와 폐수처리 등에 드는 비용이 저감된다. 불순물 제거를 위한 킬레이트 침출과 저온 소다 배소 공정을 추가하여 친환경적이면서도 효율적인 제조 기술이다. 한국지질자원연구원 제공