베트남 과학자가 쌀겨를 이용해 충전식 배터리를 개발했습니다.

Việt Nam•03/08/2023

레 마이 로안 풍 부교수가 이끄는 연구팀은 쌀겨를 활용하여 저렴한 리튬 이온 배터리 제조용 소재를 설계했습니다.

이번 연구는 2020년부터 베트남 국립대학교 호치민 캠퍼스 과학 대학 부교수(APCLab)와 그녀의 동료들이 주도했습니다.

그녀는 쌀겨에 평균 약 10.6%의 이산화규소(SiO2)가 함유되어 있다고 설명했습니다. 이 이산화규소는 리튬 이온 충전 배터리 제조에 사용될 수 있는 중요한 성분입니다. 연구팀은 쌀겨를 이용해 전극 재료를 합성하는 공정을 연구하여 버튼형 및 파우치형 4V 리튬 이온 충전 배터리 시제품을 생산하는 프로젝트를 제안했고, 빈그룹 혁신 펀드(VinIF)로부터 자금을 지원받았습니다. 버튼형 배터리는 시계, 심박수 측정기, 개인용 컴퓨터에 사용되며, 파우치형 배터리는 휴대전화 및 기타 소형 전자 기기에 사용됩니다.

*풍 박사는 진공 챔버에서 버튼형 전지를 조립하는 작업을 하고 있다. 사진: 인터뷰 대상자 제공.*

연구팀은 롱안성 탄쭈 지역에서 쌀겨를 채취하여 세척 및 건조한 후, 불활성 가스 분위기 하에서 1시간 동안 가열했습니다. 그런 다음 쌀겨를 미세하게 분쇄하여 쌀겨 재를 만들고 고체 수산화칼륨(KOH)과 혼합했습니다. 이 혼합물을 다시 불활성 가스 분위기 하에서 가열하고 분쇄한 후 세척했습니다. 건조 후 최종 생성물은 탄소 규산염(C/SiO2) 복합 재료로도 알려진 짙은 회색의 건조 분말입니다.

연구팀은 쌀겨 1kg에서 C/SiO2 소재 350g을 생산할 수 있는 합성 공정을 개발했으며, 이 소재의 판매 가격은 1,000g당 약 50달러입니다. 2년간의 실험 생산 끝에, 연구팀은 쌀겨에서 추출한 C/SiO2 소재를 사용하여 버튼형 전지와 파우치형 전지를 완제품으로 조립하는 기술을 완성했습니다.

풍 부교수는 실리카 소재가 다공성 구조를 가지고 있어 리튬 이온이 구조 내부에서 이동하고 서로 결합하여 전기 에너지로 변환될 수 있다고 설명했습니다. APCLab은 이러한 소재의 특성을 활용하여 다양한 충전식 배터리 응용 분야에 적합한 구조를 설계합니다. 각 배터리의 에너지 유형에 따라 필요한 양을 계산하여 소재를 설계합니다. 일반적으로 버튼형 배터리에는 수십 밀리그램의 쌀겨만 필요하지만, 대형 배터리에는 약 10~20그램이 필요합니다.

현재 시중에 판매되는 대부분의 충전식 배터리는 석탄 광석에서 추출 및 정제되는 흑연으로 만들어집니다. 이 소재는 100g당 약 100달러의 비용이 들며, 채굴 과정에서 환경 오염이 발생할 수 있습니다.

풍 박사는 실리카 소재가 비용, 효율성 및 환경 보호 측면에서 흑연 소재를 완전히 대체할 잠재력을 가지고 있다고 평가했습니다. 이는 쌀겨의 잠재적으로 수익성이 높은 시장을 확대하고 농민들에게 상당한 이익을 가져다 줄 것입니다.

향후 연구팀은 경제적 비용을 기준으로 제품을 최적화할 계획입니다. 현재 추산에 따르면 쌀겨로 만든 버튼형 배터리는 개당 7~8달러, 파우치형 배터리는 개당 30달러에 판매될 수 있습니다.

베트남 국립 호치민시 기술대학교 바이오연료 및 바이오매스 연구소 소장인 응우옌 딘 콴 부교수는 실리카가 리튬 이온 충전식 배터리 전극 첨가제로 널리 사용되고 있으며, 배터리 용량을 여러 배로 증가시키는 효과가 있다고 평가했습니다. 실리카 첨가제의 단점은 전극의 부피 팽창에 취약하다는 것인데, 나노 크기의 실리카 입자를 사용하면 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. APCLab은 전 세계적으로 진행되어 온 유사한 연구를 바탕으로 쌀겨에서 추출한 성형 실리카를 배터리 전극 첨가제로 활용하고 있습니다. 쌀겨에 함유된 실리카는 낮은 밀도로 분산되어 있으며, 쌀겨가 열분해되면 탄화된 탄소와 나노 크기의 실리카 혼합물이 생성됩니다.

"이 방법은 간단하면서도 매우 효과적이며, 연구 프로젝트가 성공한다면 베트남과 같은 쌀 생산 강국이 상당한 부가가치를 창출하는 데 도움이 될 수 있을 것입니다."라고 콴 박사는 말했습니다.

통계에 따르면 베트남은 세계 2위의 쌀 생산국으로, 연평균 약 4400만 톤을 생산하며, 그중 껍질 함량은 약 20~22%로 거의 900만 톤에 달합니다.

레 미 로안 풍 부교수는 프랑스에서 6년간 충전식 배터리 분야를 연구하고, 9년간 전기화학 배터리 관련 프로젝트에 참여했습니다. 일본 규슈대학교 재료화학공학연구소의 배터리 전해질 연구 및 미국 태평양 북서부 국립연구소(PNNL)의 배터리 소재 컨소시엄(Consortium Battery Material Research) 연구에 참여하기도 했습니다. 풍 박사는 9개의 연구 프로젝트에 참여 및 주도했으며, 80편의 국제 논문과 60편의 국내 논문을 발표했고, 여러 권위 있는 기관으로부터 수많은 상과 장학금을 받았습니다.

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