기존 실리콘 단점을 그래핀으로 보완한 ‘고용량 리튬이온전지용 복합 음극재’ 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국전기연구원은 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 사용되는 리튬이온전지의 음극 소재로 실리콘의 단점을 보완하면서 저렴한 가격으로 국내 중소·중견 업체들도 쉽게 접근 가능한 획기적인 복합 음극재 제조기술이다.
리튬이온전지의 음극(-)은 양극(+)에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 전류를 흐르게 하는데 배터리의 충전속도와 수명을 결정하는 매우 중요한 역할을 한다.
최근에는 리튬이온전지의 음극 소재로 기존에 사용되던 흑연을 대신해 에너지 밀도가 10배나 높고 충·방전 속도도 빠른 실리콘을 첨가하고 있다.
하지만 실리콘은 충전·방전시 부피가 3~4배 팽창하는 아주 치명적인 문제가 있어 5% 정도밖에 첨가하지 못한다.
또 실리콘 입자가 부서지거나 전극 박리를 비롯해 연속적인 전해액 분해 반응으로 인해 전지 성능을 급격히 감소시킬 수 있다는 점도 있어 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.
전기연은 실리콘의 장점은 살리면서 단점을 보완해주는 신소재 '그래핀'을 통해 해결했다.
'그래핀'은 흑연을 아주 얇게 딱 1겹만 벗겨낸 2차원 탄소나노소재로서 소재로 전기 전달이 매우 우수하고 화학적으로 안정돼 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다 ‘꿈의 신소재’라고 불리고 있다.
그래핀 코팅층은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조이기 때문에 실리콘의 부피 팽창에 따른 성능 감소를 억제 할 수 있다.
전기연은 10년 이상 연구를 통해 양질의 그래핀을 실리콘과 결합할 수 있도록 이상적인 리튬이온전지용 고용량 음극재 제조기술을 개발했다.
이를 통해 기존 리튬이차전지 음극에 들어갔던 실리콘의 양을 기존 5% 이내 수준에서 20%까지 증가시켜 고용량·고품질의 음극을 안정적으로 제조할 수 있는 결과를 얻었다.
전기연은 이로써 실리콘의 장점은 살리면서 단점은 보완하며 배터리 성능을 대폭 업그레이드 가능하게 됐다.
이번 기술의 최대 특징은 중소·중견 기업들도 쉽게 접근할 수 있을 정도의 뛰어난 가격경쟁력이다.
이는 비싼 실리콘이 아닌 저렴한 실리콘을 써도 그래핀을 통해 최고 성능을 구현할 수 있기 때문이다.
전기연은 실리콘.그래핀 복합 음극재를 기반으로 한 ‘파우치형 풀 셀'을 제작해 국내·외 원천특허 등록까지 마쳤다.
이 기술은 최근에 전기·전자 소재·부품 전문기업인 HNS에 11억원에 이전됐다.
이번 기술이전을 통한 상용화로 월간 톤 단위 이상의 실리콘·그래핀 복합체 분말을 제조할 수 있을 것으로 보고 있다는 전기연 측의 설명이다.
에너지 밀도로 환산하면 스마트폰용 배터리 약 3만 6000대 분량은 물론 600MWh 용량의 전기차용 배터리를 생산할 수 있는 규모다.
과제책임자인 이건웅 박사는 “실리콘.그래핀 복합 음극재 기술은 친환경 전기차, 에너지저장시스템, 방위산업, 우주·항공 등 다양한 분야에서 활용되는 고용량 리튬이온전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있을 것이다"고 말했다.
이어 "이 기술을 전기차에 적용할 경우 배터리의 성능을 높여 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다.
한편 시장조사 기업 SNE 리서치에 따르면 전 세계 리튬이차전지용 음극 활물질 수요량은 2025년까지 136만t으로 연평균 39% 성장할 것으로 보고하고 있다.
그중 실리콘 음극재는 11%를 점유해 연평균 70% 이상 급격히 성장할 것으로 분석하고 있다.
리튬이차전지 음극재 세계시장 규모는 연평균 30%의 성장률을 기록하며 2023년에는 54억 달러까지 성장할 것으로 예상된다.
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