전기연 연구진이 실리콘·그래핀 복합 음극재 기반 대면적 음극 및 양극을 들고 있다.[한국전기연구원 제공]

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[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 리튬이온배터리의 성능을 높여 전기차 주행거리를 기존보다 20% 늘릴 수 있는 소재기술 개발에 성공했다.

한국전기연구원은 자체 개발한 ‘고용량 리튬이온전지용 실리콘‧그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’을 국내기업 HNS에 11억원을 받는 조건으로 기술이전했다고 30일 밝혔다.

이 기술은 친환경 전기차 및 스마트폰 등에 사용되는 리튬이온전지의 음극 소재인 ‘실리콘(Si)’의 단점을 보완하면서, 저렴한 가격으로 국내 중소·중견 업체들도 쉽게 접근 가능한 획기적인 복합 음극재 제조기술이다.

리튬이온전지의 차세대 음극 소재로 주목받는 실리콘은 기존 사용되던 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고 충·방전 속도도 빠르다는 장점을 가지고 있다. 하지만 충·방전 시 부피 팽창 문제와 전기 전도도가 낮다는 단점이 있다. 또한 실리콘 입자가 부서지거나 전극 박리 및 연속적인 전해액 분해 반응으로 인해 전지 성능을 급격히 감소시킬 수 있다는 점도 있어 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.

한국전기연구원이 주목한 소재는 ‘그래핀’이었다. 그래핀은 2차원 탄소나노소재로서 전도성이 매우 우수하고, 전기 화학적으로도 안정하여 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.

10년 이상 그래핀 연구에 매진해 온 전기연 연구팀은 높은 결정성과 전기 전도성을 가지는 ‘산화/환원 그래핀’을 제조할 수 있는 기술을 개발했고, 기존 리튬이차전지용 활물질 제조공정과 접목시켜 상용화까지 이어질 수 있는 대량제조 공정기술도 확보했다. 이를 통해 기존 리튬이차전지 음극에 들어갔던 실리콘의 양을 기존 5% 이내 수준에서 20%까지 증가시켜 고용량·고품질의 음극을 안정적으로 제조할 수 있는 결과를 얻었다.

실리콘·그래핀 복합음극재 기반 파우치형 풀 셀(Full Cell).[한국전기연구원 제공]

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이 기술의 최대 강점은 뛰어난 가격경쟁력이다. 기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론(μm) 크기의 실리콘을 활용했기 때문이다.

연구팀은 이번 기술이전을 통한 상용화로 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.

이건웅 한국전기연구원 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 배터리의 성능을 높여 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 기대한다”라고 전했다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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