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국가과학기술 개발의 최상위 계획인 과학기술기본계획에서 5년간의 중점 육성기술로 12대 국가전략기술중 3개가 에너지 관련 기술을 제시하고 있으며, 일본 수출규제, 미-중 무역분쟁에 따른 기술패권 경쟁 및 공급망 위기, 기후변화 등 관련 기술의 국가적 도전과제가 넘쳐나고 있는 실정이다. 주요국은 기술 지도력을 유지·확보하고 국가적 현안에 대응하기 위해 과학기술 전략을 구체화하고 있으며, 국내 또한, 탄소중립·친환경 기술 확보에 관한 국산화·자립화에 대한 인식이 고조되고 있다.
리튬이차전지 관련 시장조사 기관인 SNE리서치는 리튬이차전지의 핵심 4대 소재 (음극재·양극재·전해액·분리막)시장은 2022년 기준 549억 달러 (70조원) 규모를 기록했다고 밝혔으며, 전기차용 전지 시장이 중국을 넘어 미국, 유럽시장으로 본격적으로 확대되면서 향후 지속적인 소재 수요로 인해 2023년에는 1476억 달러 (192조원)로 규모로 성장할 것으로 전망하고 있다. 리튬이차전지는 현존 이차전지 중 성능이 가장 우수하다는데 이견이 없다. 현재 유비쿼터스 시대의 주요 모바일 에너지원으로 주목받고 있으며, PHEV (plug-in hybrid electric vehicles) 전기자동차, 에너지저장장치 (energy storage system) 등의 분야로 적용이 급속히 확대되고 있다. 이러한 급격한 수요 및 관심과 더불어 리튬이차전지의 고용량·고출력 성능, 폭발 및 원료 수급의 안정성에 관한 소비자의 요구도 또한 증가하고 있다. 그동안 국립산림과학원은 협업을 통해 목질계 셀룰로오스 나노물질인 나노셀룰로오스를 이용하여 현재까지 이차전지의 한계점을 극복할 수 있는 기술들을 지속적으로 개발하였다. 이를 통해 리튬이차전지에 관한 높은 에너지 밀도, 폭발에 대한 사용안정성, 지속가능한 원료 수급 측면에서 상당히 긍정적인 가능성을 확보하였다.
나노셀룰로오스는 지구상에서 가장 용이하게 확보할 수 있는 목재로부터 추출된 셀룰로오스 성분을 분쇄하여 제조가 가능하며, 셀룰로오스는 나무 한 그루에서 매일 10g씩 생성된다 (전세계적으로 연간 약 1조 톤 이상 생산 예측). 이러한 이유로 나노셀룰로오스는 재생 가능한 소재이고 환경 친화적인 소재이다. 또한, 다양한 첨단 신소재 적용으로 접근성이 높은 물질임을 그동안 많은 연구 결과를 통해 증명하고 있다. 따라서 나노셀룰로오스는 최근 악화되고 있는 환경 문제를 해결할 유망한 원료 소재이며, 지속가능한 친환경 신소재에 관한 국가 기술력을 강화시킬수 있는 혁신 소재임이 틀림없다.
석유화학기반의 소재 개발은 탄소중립·친환경 정책으로 인해 한계에 부딪힐 것으로 예상된다. 충전식 에너지 저장 시스템은 유연성, 소형화 및 폼 팩터와 함께 높은 에너지/전력 밀도, 긴 충전/방전 주기 수명, 높은 작동 전압, 안전 견고성, 원가 경쟁력을 확보하는 방향으로 움직일 것이다. 재래식 에너지 저장 시스템은 일반적으로 무기/금속 화합물, 탄소질 물질 및 석유 유래 탄화수소 화학물질을 기반으로 하는 음극, 양극, 전해질 및 분리막으로 구성되는데 이러한 전통적인 소재는 계속 증가하는 에너지 저장 시스템의 요건을 충족하기 어려울 수 있으므로 기존 방법을 뛰어넘는 새로운 화학물질을 찾아야 한다. 현재까지 탐색된 수많은 후보 물질 중에서 나노셀룰로오스는 구조적 고유성, 우수한 속성, 자연적 풍부함 및 환경 친화성으로 인해 최근 에너지 저장 시스템을 위한 뛰어난 1D 요소로 상당한 주목을 받고 있으며, 빠르게 성장하는 에너지 저장 시스템을 위한 나노셀룰로오스에 대한 관심은 매년 이 분야에서 간행되는 연구 논문 수의 변화로도 알 수 있다. 나노셀룰로오스는 전극, 전해질, 분리막의 핵심 원소 형태로 사용될 수 있다. 친환경 에너지를 생산할 수 있는 리튬이차전지와 목재에 나노기술을 적용시켜 생산되는 친환경 신소재인 나노셀룰로오스와의 융합은 리튬이차전지의 현재를 뛰어넘을 수 있는 차세대 융합기술로 보여지며 지속적인 관련 기술의 선제적 확보 및 국산화가 필요하다. 이를 위해, 본 연구자료는 국립산림과학원의 협업을 통해 개발된 나노셀룰로오스의 리튬이온전지로의 적용기술에 관한 정보를 제공하는데 목적이 있다.

a) 나노셀룰로오스를 리튬이온전지에 적용하는 것을 묘사한 개념도.

b) 굽힘 반경의 함수로서 MFC-흑연 양극의 전자 전도성.

c) CNF/LiFePO4 종이 음극의 사진 및 SEM 이미지.

d) 종이 전지의 순환 성능.(삽화는 접기 전/후 페이퍼 셀의 구성 요소를 보여줌).

e) 종이 전지의 SEM 이미지(단면).(삽화는 기계적 유연성을 보여줌).

f) 유연한 LiFePO4(양극) 및 Li4Ti5O12(음극) SEA의 개요도, 사진 및 단면 SEM 이미지.

g) 치수 여유가 있는 극박(두께: 약 1400 ㎛) CM 음극의 사진.(삽화는 기존 음극(두께: 약 500 ㎛)의 열악한 구조적 안정성을 보여줌).

h) 종이학 셀을 만들기 위한 종이접기 과정과 그로부터 만든 셀의 전기화학적 활성 사진.

i) BC에서 유래한 Fe3O4-탄소나노섬유 에어로젤의 합성 과정과 SEM 이미지 개략도.

a) CNF와 메타아크릴계 폴리머 매트릭스로 구성된 GPE 멤브레인의 사진 (삽화는 액체 전해질을 2시간 동안 흡수한 후의 GPE를 보여줌).

b) CNF 분리체의 SEM 이미지 [IPA/water = 95/5 (v/v)].

c) S-CNF 분리막의 SEM 이미지 (SiO2 함량 = 5%).

d) PP/PE/PP 분리막과 CNF 분리막의 액체 전해질 젖음성 비교.

e) 150℃ 에 0.5시간 노출 후 PP/PE/PP 분리막 및 CNF 분리막의 열수축 (면적 기반 치수 변화).

f) TPY-CNF 박층과 전기방사 PVP/PAN 지지층으로 구성된 기능화된 CNF 통합 나노매트 분리막 (c-mat)의 개략도.

g) c-mat 분리막으로 조립된 LiMnO2 양극 포함 전지의 고온 (60℃) 순환 성능.