[내외신문=전용현 기자] 한국전기연구원(KERI)이 개발한 '고용량 리튬이온전지용 실리콘/그래핀 복합 음극재 대량 제조기술'은 리튬이온배터리에서 중요한 부분인 음극재를 대량으로 생산하는 기술이다. 이 기술은 기존의 음극재에 비해 용량이 큰 실리콘과 전도성이 높은 그래핀을 혼합하여 만든 복합 음극재를 사용하여 배터리 용량을 높이고, 충전속도와 수명을 개선하는 효과를 기대할 수 있다.

▲ 한국은 리튬이온배터리 분야에서 세계적인 수준을 갖춘 기술력을 보유

하고 있어 이러한 기술 개발과 기술이전은 국가 경제 발전에 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 또한, 대량 생산 기술의 보급으로 인해 배터리 가격이 저렴해지는 효과도 나올수 있다고 전망했다.

실리콘은 높은 에너지 밀도와 빠른 충·방전 속도를 갖는 등의 장점을 가지고 있지만, 부피 팽창 문제와 전기 전도도가 낮은 문제 등이 있어서 실제로 배터리에 적용하기에는 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위해 많은 연구가 이루어졌고, KERI에서는 이러한 문제를 극복하기 위해 실리콘과 그래핀을 복합화하여 새로운 음극재를 개발하였다. 이러한 기술을 적용하면 실리콘 함량을 더 많이 늘릴 수 있고, 이로 인해 배터리 용량이 대폭 증가할 것으로 기대를 모았다.

즉 기존 리튬이온전지의 음극 소재로는 연필의 주재료이기도 한 '흑연'을 사용했지만, 최근들어 차세대 음극 소재로 실리콘(Si)이 주목받기 시작했다. 실리콘은 기존에 사용되던 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고 충·방전 속도도 빠르다는 장점을 갖고 있기 때문이다.

KERI는 기존의 흑연과 실리콘을 혼합하는 방법이 아닌, 실리콘과 그래핀을 복합화한 음극재를 개발하였다. 이 방법은 실리콘 입자가 부피 팽창 시 그래핀의 구조 안에 함께 들어가면서 부피 팽창을 제한하고, 그래핀의 전기전도도 높은 특성을 이용하여 전기저항을 낮추는 효과를 얻을 수 있다. 이를 통해 리튬이온전지 음극재의 성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 이번 기술이전으로 대량 생산이 가능해져 상용화에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

▲ 사진=전기연구원 제공

▲ 그래핀은 흑연과 비교했을 때 전기 전달 능력이 훨씬 뛰어나고, 화학적으로 안정적이기 때문에 실리콘과 같은 문제를 해결하는 데 적합하다

. 그래핀은 흑연과 비교했을 때 전기 전달 능력이 훨씬 뛰어나고, 화학적으로 안정적이기 때문에 실리콘과 같은 문제를 해결하는 데 적합하다    또한, 그래핀은 흑연과 달리 충전·방전 시 부피 변화가 거의 없어 실리콘과 같은 문제를 겪지 않으며, 높은 에너지 밀도를 유지할 수 있다. 이러한 특징들 때문에 그래핀은 차세대 리튬이온배터리의 음극 소재로 주목받고 있다.

그래핀 분산 기술을 통해 실리콘과의 결합이 강화되어 실리콘의 부피 팽창 문제 뿐만 아니라 실리콘 입자의 파괴 문제도 개선된다. 이를 통해 리튬이온전지의 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 그래핀의 우수한 전기 전도도 덕분에 충·방전 속도가 빨라져 배터리의 성능이 크게 개선된다. 이러한 기술은 미래 전기 자동차 및 모바일 기기 등의 분야에서 큰 응용 가능성을 가지고 있다.

▲ 그래핀 페이스트와 잉크는 전자기기, 태양광 셀, 전기차 배터리 등에서 적용 가능하다. 또한, 연구팀은 그래핀과 다른 물질과의 결합을 용이하게 하기 위해 그래핀 수계 분산 기술을 개발

그래핀은 그 특성상 다양한 산업 분야에서 응용 가능성이 높은 신소재다. 이에 따라 그래핀 관련 기술 개발은 활발하게 이루어지고 있으며, 연구팀은 그래핀 수계 분산 기술을 활용하여 다양한 분야에서 응용 가능한 그래핀 페이스트와 그래핀 잉크 등을 개발하였다. 이러한 그래핀 페이스트와 잉크는 전자기기, 태양광 셀, 전기차 배터리 등에서 적용 가능하다. 또한, 연구팀은 그래핀과 다른 물질과의 결합을 용이하게 하기 위해 그래핀 수계 분산 기술을 개발하여 산업 분야에서의 응용성을 높이고 있다.

이번 기술의 가격 경쟁력은 중소·중견 기업들도 접근할 수 있는 수준이면서 기존의 고가인 나노 실리콘 대비, 값싼 마이크론 크기의 실리콘을 사용하기 때문이다. 연구팀은 이러한 실리콘/그래핀 복합 음극재를 기반으로 한 '파우치형 풀 셀(Full Cell)'을 제작하고 전기화학적 특성 검사를 완료했다. 또한, 해당 기술에 대한 국내·외 원천특허 등록도 완료되었고 이기술을 이전했다.

-향후 어떻게 발전 시키고 우리삶은 나아 질까?

이번 실리콘/그래핀 복합 음극재 기술의 상용화가 다양한 분야에서 큰 역할을 할 것으로 보인다. 친환경 전기차나 에너지저장시스템 등에서 사용할 경우, 성능을 향상시켜 거리나 용량 등을 증대시킬 수 있다. 이는 전기차 산업에서 중요한 이슈 중 하나로 여겨지고 있는 배터리 용량과 거리 문제를 해결하는 데 큰 역할을 할 것이고방위산업이나 우주·항공 분야에서도 사용될 수 있어 다양한 분야에서의 응용 가능성이 높다. 이번 기술이 전 세계적으로 사용되어 가는 데 큰 기여를 할 것으로 보인다.

KERI는 리튬이차전지용 음극재 분야에서 세계적인 기술우위를 확보하기 위해 노력하고 있다. 이를 위해 고품질의 실리콘/그래핀 복합 음극재 소재 연구 역량을 강화하고, 생산 공정화 및 양산화 기술을 개발하여 상용화를 지원할 계획이다. 이를 통해 친환경 전기차 및 에너지저장시스템 등에서 사용될 고용량 리튬이온전지의 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.