연구팀은 벼 껍질을 활용해 르미론풍 박사는 저렴한 가격으로 리튬이온 배터리를 만드는 소재를 설계합니다.
이 연구는 2020년부터 베트남 국립 호치민시 과학대학(APCLab)의 Le My Loan Phung 부교수와 동료들이 주도해 왔습니다.
그녀는 벼 껍질에는 평균 약 10.6%의 실리카(SiO2) 함량이 들어 있다고 말했습니다. 이는 리튬이온 충전식 배터리를 만드는 데 사용할 수 있는 중요한 구성 요소입니다. 이 그룹은 빈그룹 혁신 기금(VinIF)의 후원을 받아 쌀겨에서 전극 소재를 합성하여 코인형 셀과 파우치형 셀의 4V 리튬 이온 충전식 배터리를 실험적으로 생산하는 과정을 연구했습니다. 단추 전지는 시계, 심박수 모니터, 개인용 컴퓨터, 휴대전화 및 소형 전자기기에 사용되는 휴대용 전지에 사용됩니다.
Phung 박사는 진공 챔버에서 단추 배터리 조립 공정을 진행하고 있습니다. 사진: NVCC
연구팀은 탄쭈현(롱안)에서 벼 껍질을 채취하여 씻고 말린 다음, 불활성 분위기에서 1시간 동안 가열하고, 이를 미세한 벼 껍질 재로 분쇄한 후 고체 수산화칼륨(KOH)과 혼합했습니다. 그런 다음 이 혼합물을 불활성 분위기에서 가열하고 분쇄한 후 세척합니다. 건조 단계를 거친 최종 제품은 짙은 회색의 건조 분말로, 탄소 실리카 복합 재료(C/SiO2)라고도 합니다.
이 그룹은 쌀겨 1kg에서 C/SiO2 물질 350g을 생산할 수 있는 합성 공정을 구축했으며, 판매 가격은 1000g당 약 50달러입니다. 연구팀은 2년간의 시험생산 끝에 벼 껍질에서 추출한 C/SiO2 소재를 활용해 완전한 단추형 전지와 포켓형 전지를 조립하는 기술을 완성했습니다.
실리카 소재 제조 공정의 흐름도. 사진: 연구팀
풍 부교수는 실리카 소재가 다공성이어서 리튬 이온이 구조 내에서 움직이고 얽혀 전기로 변환될 수 있다고 말했습니다. APCLab은 이 소재의 특성을 활용하여 충전식 배터리 응용 분야에 적합한 구조를 설계합니다. 각 배터리 유형의 에너지 형태에 따라, 사용되는 양을 계산하기 위해 재료가 설계됩니다. 일반적으로 단추 전지 하나당 쌀겨는 수십 mg 정도만 필요하지만, 전지가 더 크면 약 10~20g이 필요합니다.
현재 시중에 판매되는 충전식 배터리 대부분은 석탄광석에서 채굴하고 정제한 흑연 소재로 만들어집니다. 이 재료의 가격은 100g당 약 100달러이며, 원자재를 찾는 단계에서 환경 오염이 발생할 수 있습니다.
Phung 박사는 실리카 소재가 비용, 효율성, 환경 보호 측면에서 흑연 소재를 완전히 대체할 수 있는 잠재력이 있다고 평가했습니다. 이를 통해 벼 껍질의 잠재적 시장이 확대되고 농부들에게 큰 이익이 생깁니다.
연구팀은 앞으로 경제적 비용에 기반한 제품 계산을 최적화할 계획이다. 현재 추정에 따르면 쌀겨로 만든 단추 전지는 개당 7~8달러에 판매되고, 주머니용 전지는 개당 30달러에 판매됩니다.
쌀겨로 만든 단추 전지를 테스트합니다. 사진: 연구팀
베트남 호치민시 국립대학교 바이오연료 및 바이오매스 연구실 소장인 응우옌 딘 콴(Nguyen Dinh Quan) 준교수 박사는 실리카가 배터리 용량을 몇 배나 증가시킬 수 있는 능력이 있기 때문에 리튬 이온 충전식 배터리 전극의 첨가제로 사용될 수 있다고 평가했습니다. 이 기술의 단점은 전극이 부피 팽창에 취약하다는 점인데, 나노 크기의 실리카 입자를 사용하면 이를 극복할 수 있습니다. APCLab은 전 세계적으로 유사한 연구를 채택하여 쌀겨에 성형된 실리카를 배터리 전극 첨가제로 활용하고 있습니다. 벼 껍질 속의 실리카는 낮은 밀도로 분산되어 있는데, 벼 껍질을 열분해하면 나노 크기의 실리카와 구조가 섞인 탄화된 탄소 혼합물이 형성됩니다.
"이 방법은 간단하지만 매우 효과적이며, 연구 프로젝트가 성공한다면 베트남과 같은 쌀 생산 강국이 높은 부가가치를 창출하는 데 도움이 될 수 있습니다."라고 Quan 박사는 말했습니다.
통계에 따르면 베트남은 세계에서 두 번째로 큰 쌀 생산국으로, 연간 평균 생산량이 약 4,400만 톤으로 추산되며, 벼 껍질 비율은 약 20-22% 또는 약 900만 톤입니다.
르미로안풍 준교수 박사는 프랑스에서 6년 동안 충전식 배터리 분야를 연구하고 연구했으며, 9년 동안 전기화학 배터리와 관련된 주제를 다루었습니다. 그녀는 일본 규슈 대학 재료화학공학연구소의 배터리용 전해질 프로젝트와 미국 태평양 북서부 국립 연구소의 배터리용 첨단 소재 개발 프로젝트(컨소시엄 배터리 소재 연구)에 참여하도록 초대되었습니다. 여의사는 9개 연구주제에 참여하여 주도하였고, 국제논문 80편, 국내논문 60편을 발표하였으며, 권위 있는 기관으로부터 많은 귀중한 상과 장학금을 받았습니다.
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