[교통신문 김정규 기자] 친환경 전기차 등에 사용되는 리튬이온전지의 주요 소재인 ‘실리콘(Si)’의 단점을 보완하면서 경제성을 갖춘 ‘복합 음극재 제조기술’이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
과학기술정보통신부 산하 한국전기연구원(KERI)은 자체 정부출연금사업을 통해 ‘리튬이온전지용 실리콘-그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’을 개발했다고 최근 밝혔다. 이 기술이 상용화되면 저렴한 가격으로 국내 중소·중견 업체들도 쉽게 기술에 접근할 수 있게 된다.
실리콘은 현재 리튬이온전지의 차세대 음극재로 떠오르고 있다. 실리콘은 많이 쓰는 흑연보다 약 10배 이상의 에너지 밀도를 갖고 있지만 단점이 있다. 전기 전도도가 매우 낮고 충전과 방전을 반복하면 4배 정도 부피가 팽창하고, 입자가 부서지거나 전극이 벗겨져 전지 성능을 급격히 감소시키는 문제가 있어 상용화에 걸림돌이 돼 왔다.
이에 KERI 연구팀은 ‘그래핀’에 주목했다. 그래핀은 2차원 탄소나노소재로서 전도성이 우수하며, 전기 화학적으로 안정하여 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 또한 그래핀 코팅층은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조이기 때문에 실리콘의 부피팽창에 따른 성능 감소를 억제할 수 있다.
이번 기술의 최대 강점은 가격경쟁력이다. 기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론 크기의 상용 실리콘을 활용했으며, 여기에 오랜 연구 노하우가 집적된 KERI만의 고전도성 그래핀 분산기술을 적용해 ‘코어-쉘’ 구조의 복합 음극재를 대량으로 제조할 수 있게 됐다. 연구팀은 실리콘-그래핀 복합 음극재를 기반으로 ‘파우치형 풀 셀’을 제작하고 전기화학적 특성 검사까지 성공적으로 마치며 상용화를 위한 준비과정을 마쳤다.
이 기술은 전기차에 적용할 경우 배터리의 성능을 높여 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 보고 있다.
연구팀은 개발된 기술이 상용화될 경우 연간 톤 단위 이상의 실리콘-그래핀 복합체 분말을 제조할 수 있을 것으로 보고 있다. 에너지 밀도로 환산하면 200MWh 용량의 전기자동차용 배터리를 생산할 수 있는 규모다. 현재 기술에 대한 원천특허 출원 및 자체적인 양산준비 가능성을 검증하고 기술이전 수요 업체를 탐색하는 등 사업화를 추진한다는 목표다.
