산림과학원 이선영 박사팀, 셀룰로오스서 분리막 얻어내

나무의 화학적 주성분인 셀룰로오스에서 리튬이온 전지의 핵심소재인 분리막을 얻어내는 방법이 세계최초로 국립산림과학원의 연구원에 의해 개발됐다.

친환경 소재로 분리막을 만드는 원천기술인 이 연구의 성과가 상용화 되면 우리나라는 1조2000억원 규모에 달하는 세계 리튬이온 2차전지 분리막 시장에서 엄청난 대체효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다.

             셀룰로오스 나노종이 분리막의 LED Light 시연.(사진=산림청)

국립산림과학원 이선영 박사(45)는 나무에서 추출한 다공성 셀룰로오스 나노섬유로 리튬이온전지 분리막을 만드는 데 성공했다. 현재 대부분의 리튬이온전지 분리막은 석유계 올레핀 수지인 다공성 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 사용하고 있다.

이 연구 성과를 담은 논문은 지난달 말 영국왕립화학회가 발행하는 세계적 권위의 국제 학술지인 ‘저널오브머티어리얼스케미스트리’에 게재됐다. 이 박사가 강원대학교 화학공학과 이상영 교수팀과 공동으로 수행한 이 연구는 나무에서 쉽게 얻을 수 있는 친환경 재료를 활용해 분리막을 만들었다는 데서 과학적 측면에서도 큰 의의가 있는 것으로 평가받고 있다.

이 박사팀은 셀룰로오스를 기계적 방법을 이용해 변화시킨 나노 크기의 셀룰로오스 섬유(직경 20-30 나노미터)에서 유기용매와 물의 배합비 및 두께를 조절해 다공성 셀룰로오스 나노종이 분리막을 개발했다.

셀룰로오스 나노종이 분리막은 리튬이온 전도도가 우수하고 전기화학적 안정성이 있어 고온에서 수축현상이 일어나지 않는다. 또 전해액의 이온투과 정도가 매우 활발해 극성에 관계없이 다양한 종류의 전해액(비극성 및 극성)을 사용할 수 있다. 이 분리막은 이런 특징 때문에 충전과 방전 때 우수한 전지특성을 나타내 이를 통해, 고품질의 리튬이온 전지를 만들어낼 수 있다.

             셀룰로오스 나노섬유의 형태 및 화학구조.(산림청 제공)

2012년 현재 리튬이온전지의 핵심소재인 분리막의 세계시장 규모는 1조2000억원에 이르는 것으로 추산되며 그 중 대부분의 분리막 재료가 폴리에틸렌과 폴리프로필렌이다. 이 분야 세계시장은 24%를 점유한 미국 셀가드의 뒤를 이어 일본 아사히, 미국 토넨, 한국 SK이노베이션, 일본 우베 등이 각축을 벌이는 상태다. 따라서 셀룰로오스 분리막을 이용한 리튬이온 2차전지가 나오면 시장 구도도 크게 변할 것으로 보인다.

이번 연구를 주도한 이선영 박사는 “나무 성분의 40~50%를 차지하는 셀룰로오스는 지구상에서 가장 많이 분포하고 있는 바이오고분자로 셀룰로오스 나노섬유는 세계적으로 전기·전자재료, 생체의학재료, 나노복합재료 등 첨단 신소재 개발에 활발히 이용되고 있다”며 “나노셀룰로오스를 활용해 초대용량 전극소재, 리튬이온전지 음극소재의 기판 등 다양한 용도로 이용하는 연구를 계속 진행하겠다”고 밝혔다.