[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 친환경 전기차 등에 사용되는 30조원대 시장 리튬이온전지의 주요 소재인 실리콘(Si)의 단점을 보완하면서도 저렴한 가격의 획기적 복합 음극재 대량 제조기술이 개발됐다.

음극재(anode materials)는 2차전지 충전 때 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 핵심 소재다.  

30일 한국전기연구원(KERI·원장 최규하)에 따르면 KERI 나노융합기술연구센터와 전지연구센터는 리튬이온전지용 실리콘-그래핀 복합 음극재 대량 제조기술을 개발하는 데 성공했다. 

이번 기술을 바탕으로 실리콘-그래핀 기반 고용량 리튬이차전지 상용화에 성공할 경우 기존 배터리의 용량을 20% 이상 높일 것으로 기대된다. 특히 전기자동차용 고용량 배터리를 탑재함으로써 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 예상한다. 

고전도성 그래핀과 그래핀-실리콘 복합 음극재 분산용액 기반 파우치형 풀 셀 [자료=한국전기연구원]

연구팀은 개발된 기술이 상용화할 경우 연간 톤(t) 단위 이상의 실리콘-그래핀 복합체 분말을 제조할 수 있을 것으로 보고 있다. 에너지 밀도로 환산하면 스마트폰용 배터리 약 2000만대 분량 및 200MWh 용량의 전기자동차용 배터리를 생산할 수 있는 규모다. 

현재 리튬이온전지의 차세대 음극재로 대두되고 있는 소재는 실리콘이다. 실리콘은 흑연보다 약 10배 이상의 에너지 밀도를 갖고 있다. 하지만 전기 전도도가 매우 낮고 충전과 방전을 반복하면 4배 정도 부피가 팽창한다. 심지어 입자가 부서지거나 전극이 벗겨져 전지 성능을 급격히 감소시키는 문제도 있어 상용화에 걸림돌이 됐다. 

KERI 연구팀은 문제해결을 위해 그래핀에 주목했다. 그래핀은 2차원 탄소나노소재로서 전도성이 우수하고 전기 화학적으로 안정돼 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 또 그래핀 코팅층은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조이기 때문에 실리콘의 부피팽창에 따른 성능 감소를 억제할 수 있다. 

이번 기술의 최대 강점은 중소·중견 기업들도 쉽게 접근할 수 있을 정도의 뛰어난 가격경쟁력이다. 기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론(μm·100만분의 1m) 크기의 상용 실리콘을 활용했다. 

여기에 오랜 연구 노하우가 집적된 KERI만의 고전도성 그래핀 분산기술을 적용해 코어-쉘(Core-Shell) 구조의 복합 음극재를 대량으로 제조할 수 있게 됐다. 연구팀은 실리콘-그래핀 복합 음극재를 기반으로 파우치형 ‘풀 셀(Full Cell)’을 제작하고 전기화학적 특성 검사까지 성공적으로 마무리해 상용화를 위한 준비과정을 마쳤다. 

이번 실리콘-그래핀 복합 음극재 기술은 친환경 전기자동차, 에너지저장시스템, 방위산업, 우주·항공 등 다양한 분야에서 활용되는 고용량 리튬이온전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 연구팀은 예상한다. 

기술 개발을 이끈 정승열 책임연구원(왼쪽)과 이건웅 본부장(오른쪽)이 그래핀-실리콘 복합 음극재를 들고 포즈를 취하고 있다. [사진=한국전기연구원]

실무책임자인 정승열 책임연구원은 “복합 음극재를 대량으로 제조할 수 있는 시스템으로, 이를 기반으로 현재 30조원에 달하는 전 세계 리튬이온전지 시장을 선도하는 데 앞장서겠다”고 말했다.  

kimys@newspim.com