- 실리콘·그래핀 복합 음극재 기술 개발

[디지털데일리 김도현 기자] 국내 연구진이 차세대 음극재 개발에 성공했다. 실리콘과 그래핀을 합성해 만든 소재다.

30일 과학기술정보통신부 산하 한국전기연구원(KERI)은 자체 개발한 ‘고용량 리튬이온전지용 실리콘·그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’을 HNS에 기술이전했다고 밝혔다. 금액규모는 11억원이다.

이번 연구는 KERI 전기재료연구본부 소속 나노융합연구센터 이건웅·정승열 박사팀과 차세대전지연구센터 김익준·양선혜 박사팀이 공동으로 진행했다. 전기차 및 스마트폰 등에 사용되는 리튬이온전지 음극 소재 실리콘의 단점을 보완하면서 가격을 낮췄다는 점에서 의미가 있다.

차세대 음극 소재로 주목받는 실리콘은 기존 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고 충·방전 속도도 빠르다는 장점이 있다. 다만 충·방전 시 부피 팽창(3배 수준) 문제와 전기 전도도가 낮다는 단점이 있다. 실리콘 입자가 부서지거나 전극 박리 및 연속적인 전해액 분해 반응으로 인해 전지 성능을 급격히 감소시킬 수 있다는 부분도 걸림돌이다.

이를 해결하고자 KERI가 주목한 소재는 그래핀이다. 그래핀은 2차원 탄소나노소재로서 전도성이 매우 우수하고 전기 화학적으로도 안정적이어서 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 그래핀 코팅층은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조이기 때문에 실리콘의 부피 팽창에 따른 성능 감소를 억제할 수도 있다.

KERI는 특화된 산화·환원 공정을 기반으로 높은 결정성과 전기 전도성을 가지는 ‘산화/환원 그래핀(GO, rGO)’을 제조할 수 있는 기술을 구현했다. 이를 기바능로 다른 물질과의 결합을 용이하게 할 수 있는 고농도 페이스트 형태의 ‘그래핀 수계 분산 기술’까지 개발했다. 기존 리튬이차전지용 활물질 제조공정과 접목시켜 상용화까지 이어질 수 있는 대량제조 공정기술도 확보했다.

결과적으로 기존 리튬이차전지 음극에 들어갔던 실리콘 양(첨가량)을 기존 5% 이내 수준에서 20%까지 증가시켜 고용량·고품질의 음극을 안정적으로 제조할 수 있게 됐다.

가장 큰 성과는 중소·중견 기업들도 접근할 수 있을 정도의 가격경쟁력이다. 고가의 나노미터(nm) 대비 값싼 마이크로미터(μm) 크기 실리콘을 활용했고 KERI의 고결정성 그래핀 분산기술을 더해 코어-쉘(Core-Shell) 구조 복합 음극재를 대량으로 제조할 수 있는 기술을 개발했다.

이번 기술이전으로 HNS는 매달 톤 단위 실리콘·그래핀 복합체 분말을 제조할 수 있을 것으로 기대된다. 스마트폰용 배터리 약 3만6000대, 600메가와트시(MWh) 용량 전기차용 배터리를 생산할 수 있는 규모다.

이건웅 박사는 “실리콘·그래핀 복합 음극재 기술은 전기차와 에너지저장시스템(ESS), 방위산업, 우주·항공 등 다양한 분야에서 활용되는 고용량 리튬이온전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있을 것”이라며 “전기차 적용 시 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있다”고 말했다.