전기연, 실리콘 20% 음극재 제조기술 개발


그래핀 활용해 실리콘 함량 높여…11억원에 기술이전

한국전기연구원이 리튬이온전지용 실리콘 음극재 기술을 개발했다. 사진은 ‘그래핀 수(水)계 분산 기술’을 활용해 제조한 고농도 페이스트 형태의 환원그래핀 및 잉크(뒷줄), 실리콘-그래핀 복합 음극재 분산용액(왼쪽 Si-rGO), 파우치형 Full Cell(앞줄) [사진=KERI]

[아이뉴스24 최상국 기자] 한국전기연구원(KERI, 원장 명성호)이 리튬이온전지 음극재의 실리콘 함량을 20%까지 높일 수 있는 기술을 개발해 11억원 규모의 대형 기술이전계약을 체결했다고 30일 밝혔다.

KERI는 나노융합연구센터 이건웅·정승열 박사팀, 차세대전지연구센터 김익준·양선혜 박사팀이 공동으로 개발한 '고용량 리튬이온전지용 실리콘/그래핀 복합 음극재 대량 제조기술'을 ㈜HNS(대표 남동진)에 이전했다.

이 기술은 최근 차세대 리튬이온전지 음극재료로 떠오르고 있는 실리콘 음극재의 단점을 보완하면서, 저렴한 재료 가격으로 국내 중소·중견 업체들도 쉽게 접근 가능한 복합 음극재 제조기술이다.

실리콘은 흑연에 비해 이론상 에너지밀도가 10배 높고 충방전 속도도 빠르다는 장점이 있어 차세대 리튬이온전지 음극재로 각광받고 있다. 흑연에 실리콘 함량을 높이기 위한 경쟁이 치열하다. 하지만 실리콘은 충·방전 시 급격한 부피 팽창(3배 수준)으로 내구성을 떨어뜨리고 전기 전도도가 낮다는 단점이 있어 이를 해결하기 위한 기술개발이 전제돼야 한다. 이러한 이유로 실리콘의 장점은 살리면서 단점을 보완해주는 소재의 복합화 연구가 국내·외에서 활발하게 진행되고 있다.

KERI는 그래핀을 활용해 실리콘의 단점을 보완하고자 했다. 그래핀으로 실리콘을 감싸는(코어-쉘 구조) 기술을 개발했다. 연구팀은 "그래핀은 전도성이 매우 우수하고, 전기 화학적으로도 안정돼 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 또한 그래핀 코팅층은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조이기 때문에 실리콘의 부피 팽창에 따른 성능 감소를 억제 할 수 있다"고 설명했다.

연구팀은 높은 결정성과 전기 전도성을 가지는 ‘산화/환원 그래핀’ 제조기술, 이를 효과적으로 분산시켜 다른 물질과의 결합을 쉽게 할 수 있는 고농도 페이스트 형태의 ‘그래핀 수계 분산 기술’ 등을 개발했다. 또한 이를 기반으로 ‘파우치형 풀 셀(Full Cell)’ 시작품을 제작하고, 대량제조 공정기술을 확보했으며, 국내·외 원천특허 등록까지 완료했다.

KERI는 이같은 연구들을 통해 리튬이차전지 음극의 실리콘 함량을 20%까지 증가시켜 고용량·고품질의 음극을 안정적으로 제조할 수 있는 결과를 얻었다. 현재 국내 배터리 기업이 실리콘 음극을 채용해 상용화한 리튬이온전지의 최대 실리콘 함량은 5% 정도다.

연구팀은 "무엇보다 이번 기술의 최대 강점은 중소·중견 기업들도 쉽게 접근할 수 있을 정도의 뛰어난 가격경쟁력"이라고 밝혔다. 기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론 크기의 실리콘을 활용함으로써 중소기업들이 큰 부담없이 실리콘 음극재료 시장에 뛰어들 수 있을 것이라는 설명이다.

이번에 기술을 이전받은 (주)HNS는 월간 톤(t) 단위 이상의 실리콘/그래핀 복합체 분말을 제조할 수 있을 것으로 보고 있다. 에너지 밀도로 환산하면 스마트폰용 배터리 약 3만 6천대 분량 및 600MWh 용량의 전기차용 배터리를 생산할 수 있는 규모다.

KERI 이건웅 박사는 “실리콘/그래핀 복합 음극재 기술은 고용량 리튬이온전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있다. 특히 전기차에 적용할 경우 배터리의 성능을 높여 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

한국전기연구원 실리콘-그래핀 복합 음극재 개발팀(왼쪽부터 이건웅·양선혜·정승열·김익준 박사) [사진=KERI]

한편 시장조사 기업 SNE 리서치에 따르면 전 세계 리튬이차전지용 음극 활물질 수요량은 2025년까지 136만톤으로 연평균 39% 성장할 것으로 보고하고 있으며, 그중 실리콘 음극재는 연평균 70% 이상 급격히 성장해 11%를 점유할 것으로 보고 있다.

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)







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