현대 산업사회를 지탱하는 주요 에너지의 형태는 석유, 석탄, 천연가스와 같은 화석연료이다. 산업의 발달과 고도화에 의해 수요는 폭발하고 있지만 매장량은 한계에 도달하고 있으며, 그로 인하여 많은 연구자들이 대체 물질을 연구 중에 있다¹⁾. 또한 화석연료는 많은 양의 온실가스를 배출하고 그에 따른 사회경제적 비용의 증가와 환경문제에 직면하고 있는 현실이다. 국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)의 2015년 에너지기술전망(Energy Technology Perspectives, ETP)에 따르면 지구 기온 상승을 이하로 유지하기 위해서는 이산화탄소 배출량을 2012년 대비 60%를 감축해야 한다고 경고하고 있다. 이러한 화석연료의 고갈 문제와 환경문제를 해결하기 위한 대표적인 에너지 중의 하나가 리튬이차배터리이다. 현재 상업적으로 많이 이용되는 리튬이차배터리는 LiCoO₂ 양극재를 사용하고 있다. 코발트는 뛰어난 전기용량과 전기전도성을 가지고 있으며 제조하는 데 쉽다는 장점을 가지고 있다. 그러나 코발트는 전 세계 매장량(약 700만 톤)의 절반(약 340만 톤)이 콩고공화국에 묻혀있다. 콩고의 정치적 불안과 치안 문제로 안정적 수급이 더욱 어려워지고 수급 불안으로 코발트 가격이 폭등하며 결론적으로 이차배터리 공급 가격에 악영향을 끼치고 있다. 또한 제조 시 코발트가 환경에 영향을 끼치기 때문에 많은 연구자들이 코발트 대체물질을 연구 중에 있다²⁾. Li-rich Li_1.6Ni_0.35Mn_0.65O₂를 이용하여 MLCA를 수행하였다. 여기서 Li_1.6Ni_0.35Mn_0.65O₂를 LNMO 물질이라고 하며, LNMO 물질은 250 mAh/g의 높은 용량을 가지고 있으며 4.5 V 이상의 높은 전압에서 안정성이 높기 때문에 대체물질로 연구 중이다. 그러나 고온에서의 열적 불안정성과 코발트를 이용한 양극재보다 낮은 전기전도도가 문제와 고전압에서의 열적 불안정성으로 인한 사이클 특성 감소 문제가 있다³⁾. Graphene은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하며, 실리콘보다 150배 이상 전자의 이동성이 빠르다⁴⁾. 또한 열전도성이 높아 고온에서의 안정성을 기대할 수 있다. 따라서 LNMO에 gaphene을 첨가함으로써 낮은 전기전도도와 열적 불안정성을 보완할 수 있다. MLCA는 어떤 제품이나 서비스 전 과정(원료채취, 제품생산, 유통, 사용, 폐기)에 걸친 환경부하 즉, 투입물에 의한 자원 고갈, 배출물에 의한 환경 영향을 평가하기 위해 투입, 산출물의 정량적 자료 목록을 작성, 환경 영향을 평가하여 환경성과를 개선시키기 위한 대안을 검토하는 과정이라고 할 수 있다. 또한 환경경영 체제에 관한 국제 표준화 규격으로 통칭되는 ISO 14000 series의 기술적 근간을 이루고 있어 국제적으로 중요시되는 기법이라 할 수 있다⁵⁾.

LCA는 life-cycle assessment의 약자로 “요람에서 무덤까지”처럼 제품의 생산부터 폐기까지 모든 전 과정의 환경 부하를 측정하는 데 있어 가치 있는 방법이지만 제품 전체 공정에 대한 데이터를 얻고 평가하는 데 있어서는 제한이 있다⁶⁾. MLCA는 말 그대로 제품의 공정보다 물질, 재료가 환경에 미치는 영향을 평가하는 방법으로 친환경적인 소재연구에 중요한 도구를 제공 할 수 있다. 본 연구에서는 LMNO를 졸겔법으로 합성 후 슬러리 믹싱 단계에서 gaphene 2wt%를 첨가하는 과정을 MLCA를 수행하여 잠재적인 환경 영향을 평가하고자 한다.

물질 전 과정 평가의 절차는 분류화, 특성화, 정규화로 진행되며, 이 순서에 맞춰 환경 영향을 도출하고 이를 토대로 주요 이슈를 규명하였다. 영향 평가 과정에서 분류화는 10개 세부 영향 범주로 분류하였다. 10개의 영향 범주로는 무생물자원고갈(abiotic resource depletion, ARD), 지구온난화(global warming potential, GWP), 오존층 고갈(stratospheric ozone depletion potential, ODP), 산성화(aciedification potential, ACP), 부영양화(eutrophication potential, EUP), 생태독성(ecotoxicity potential, ETP), 인간독성(human toxicity potential, HTP)이 포함된다. 이 중 생태독성은 수계생태독성(fresh-water aquatic ecotoxicity potential, FAETP)과 해양생태독성(marine aquatic ecotoxicity potential, MAETP), 토양생태독성(terrestrial ecotoxicity potential, TETP)을 포함하였다¹⁾.

Fig. 5에서는 전 과정 영향 평가방법으로 CML2001을 통하여 Li_1.6Ni_0.35Mn_0.65O₂ 및 Li_1.6Ni_0.35Mn_0.65O₂ & graphene 2wt% 둘 다 GWP지수가 약 63%, 무생물자원고갈(abiotic resource depletion, ADP), 부영양화(eutrophication potential, EP)가 전체 20% 정도의 기여도를 보인다. Graphene의 첨가로 인한 환경 영향 변화는 없었다. GWP지수와 해양생태독성은 전기의 사용으로 인한 오염으로 나타나기 때문에 공정에서의 전기사용량이 환경오염에 절대적인 영향을 끼친다. 따라서 심야전기를 이용하여 전력 수요를 분산시켜 전력설비를 효율적으로 이용하거나 태양열‧풍력에너지와 같은 신재생에너지를 이용하는 것과 더불어 양극재 물질 제작 중 소결 시간의 단축을 통하여 전기 사용의 감소 또는 소결 온도의 조절을 통하여 효율적인 전기 사용을 해야 한다. ADP지수가 높은 것을 통해 토양에 대한 오염도가 높음을 확인하였으며 이는 땅속의 화석연료 고갈에도 영향을 끼친다고 판단된다. 따라서 sol-gel 합성 시 citric acid의 양을 더 줄일 수 있도록 정확한 배경 연구 또는 다른 대체 acid를 통하여 ADP지수를 낮춘다면 좀 더 환경적으로 양극재물질을 만들 수 있을 것이다.

Fig. 5. 
Environmental impact assessment by South Korea (CML 2001)

Fig. 6에서는 CML 2001 방법론에서 크게 영향을 미치는 GWP 100 years, ADP의 실질적인 수치를 보여주고 있으며 온실가스의 배출은 이해를 돕기 위하여 CO₂로 통일하였다. Li_1.6Ni_0.35Mn_0.65O₂ 및 Li_1.6Ni_0.35Mn_0.65O₂ & graphene 2wt% 둘 다 GWP 100 years의 수치는 약 170 kg이 나왔으며 ADP지수는 약 1,600 MJ가 나왔다. Graphene의 첨가로 인한 변화는 역시 없었으며, GWP의 지수가 특히 높은 이유는 실험 중 초기 충방전실험, 임피던스측정실험 등 전기의 사용량이 매우 높기 때문이며 이 또한 Fig. 5에서 언급한 것처럼 심야전기를 이용하여 보다 친환경적인 양극재 제조로 나아 가야한다.

Fig. 6. 
Green gas (CO₂) emissions and abiotic depletion fossil (CML2001)

Fig. 7에서는 인체독성물질이 대다수 공기 중(약 72%)과 토양(약 26%)으로 배출됨을 보여준다. 인체독성물질은 인간에 직접적으로 독성을 끼칠 수 있는 화합물의 고유 독성과 잠재적 선량에 기초하여 평가하였다. 이러한 인체독성물질의 배출로 인하여 작업자 등에게 영향을 미칠 수 있으며 부정적인 결과를 가져올 수 있으므로 효율적인 전력의 사용을 위하여 Fig. 5와 마찬가지로 신재생에너지 및 심야전기를 활용하는 것이 중요하다고 판단된다. ADP지수가 높은 것을 통하여 인체독성 물질 또한 많은 양이 토양으로 배출됨을 알 수 있다. 이는 땅 속의 화석연료 고갈에도 영향을 끼친다고 판단된다. 따라서 sol-gel 합성 시 citric acid의 양을 더 줄일 수 있도록 효율적인 실험방법 또는 다른 대체 acid를 통하여 토양으로의 인체독성 배출량을 줄일 수 있도록 해야 한다.

Fig. 7. 
Human toxicity emission distribution (EI‘99)

본 연구에서는 MLCA 소프트웨어를 통하여 Li_1.6Ni_0.35Mn_0.65O₂ 및 Li_1.6Ni_0.35Mn_0.65O₂ & graphene 2wt% 합성에 따른 환경오염 평가를 하였다. MLCA 소프트웨어는 Gabi6를 사용하였으며, Eco-Indicator 99’와 CML2001 방법론을 사용하여 정규화 특성화 결과를 도출하였다. CML2001의 결과로 나타난 GWP 1 Li_1.6Ni_0.35Mn_0.65O₂ & graphene 2wt% 둘 다 대부분이 전기 사용으로 인한 오염으로 나타났다. 이는 전기의 재활용 및 일부 실험에서 전력 사용량 감소가 불가능하기에 제조 과정에서의 전기사용 감소 또는 심야전기를 이용한 절약 등의 환경보호를 모색해 볼 수 있다. ADP지수가 높은 것을 통해 토양에 대한 오염도가 높음을 확인하였으며 이는 땅 속의 화석연료 고갈에도 영향을 끼친다고 판단된다. 또한 EI99’로 확인한 결과로 citric acid의 단점 중 하나인 오염물질을 배출한다는 점에 있어서 human toxicity의 대다수가 공기와 토양으로 배출된다. Citric acid의 첨가에 의해 영향을 받기 때문이므로 가능한 적은 양으로 높은 효율을 이끌 수 있는 질량비를 찾아내거나 대체 acid를 연구한다면 human toxicity의 감소와 GWP, ADP의 배출량을 줄이는 데 도움이 될 것이다. 또한 기존 LNMO 물질의 단점인 전기전도도와 열적 불안정성을 보완하기 위해 첨가한 graphene으로 인한 환경성 및 환경부하의 변화는 없는 것으로 나타났다.