과학기술정보통신부 산하 한국전기연구원(KERI, 이하 전기연)이 전기차 등의 성능을 높일 배터리 음극재 제조기술 개발에 성공했다.
전기연은 전기재료연구본부 나노융합연구센터 이건웅·정승열 박사팀, 차세대전지연구센터 김익준·양선혜 박사팀이 공동으로 `고용량 리튬이온전지용 실리콘·그래핀 복합 음극재 제조기술`을 개발했다고 30일 밝혔다.
이 기술은 친환경 전기차와 스마트폰 등에 쓰이는 리튬이온전지의 음극 소재인 `실리콘(Si)`의 단점을 보완하면서 가격경쟁력을 강화한 것이 특징이다.
리튬이온전지의 음극은 배터리의 충전 속도와 수명을 결정하는 중요한 역할을 한다.
기존 음극 소재로는 흑연이 사용되다가 최근에는 성능이 더 좋은 실리콘이 첨가되기 시작했다.
실리콘은 흑연보다 에너지 밀도가 10배 높고, 충전·방전 속도도 훨씬 더 빠르다.
그러나 충전·방전 때 부피가 3∼4배 팽창하는 문제가 있는 탓에 5% 정도밖에 첨가하지 못한다.
전기연은 이런 실리콘의 단점을 `꿈의 신소재`로 불리는 `그래핀`이라는 나노기술을 통해 해결했다.
흑연을 아주 얇게 1겹만 벗겨낸 소재인 그래핀은 전기 전달이 매우 우수하고 화학적으로 안정돼 있다.
전기연은 10년 이상 연구를 통해 양질의 그래핀을 제조하고, 그래핀이 실리콘과 결합할 수 있도록 하는 최적의 기술을 확보하는 데 성공했다.
그래핀이 실리콘을 껍질처럼 감싸도록 해(코어(core)-쉘(shell) 구조 실리콘의 부피 팽창 문제를 해결한 데 이어 그래핀을 통해 기존 실리콘 첨가량을 최대 20%까지 증가시켰다.
이로써 실리콘의 장점을 살리면서 단점은 보완하며 배터리 성능을 대폭 업그레이드할 수 있게 됐다.
또 저렴한 실리콘을 쓰더라도 그래핀을 통해 최고 성능을 구현할 수 있게 되면서 가격경쟁력도 강화됐다고 전기연은 설명했다.
전기연은 실리콘·그래핀 복합 음극재를 기반으로 한 시제품(파우치형 풀 셀)도 제작해 국내·외 원천특허 등록까지 완료했다.
이 기술은 최근 전기·전자 소재·부품 전문기업인 주식회사 HNS에 11억원에 기술 이전되기도 했다.
이번 기술이 상용화되면 매달 t 단위 이상의 실리콘·그래핀 복합체 분말을 제조할 수 있을 것으로 전기연은 예상했다.
에너지 밀도로 환산하면 스마트폰용 배터리 3만6천대 분량 및 600MWh 용량의 전기차용 배터리를 생산할 수 있는 규모다.
과제책임자인 이건웅 박사는 "실리콘·그래핀 복합 음극재 기술은 친환경 전기차, 에너지저장시스템(ESS), 방위산업, 우주·항공 등 다양한 분야에서 활용되는 고용량 리튬이온전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있을 것"이라며 "특히 전기차에 적용할 경우 배터리 성능을 높여 주행거리를 20% 이상 늘릴 것으로 기대한다"고 말했다.
(사진=연합뉴스)