전기차 주행거리 20% 늘린다..배터리 음극재 대량으로 만들 기술 개발

[이데일리 강민구 기자] 한국전기연구원 연구진이 ‘고용량 리튬이온전지용 실리콘·그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’을 개발하고, 기업에 11억원에 기술을 이전했다.

전기연의 이건웅·정승열 나노융합연구센터 박사팀, 김익준·양선혜 차세대전지연구센터 박사팀이 만든 이 기술은 전기차나 스마트폰에 쓰는 리튬이온전지 음극소재인 실리콘의 단점을 보완하면서 싼 가격으로 복합 음극재를 만들 수 있다.

한국전기연구원 실리콘·그래핀 복합 음극재를 개발한 연구자들.(왼쪽부터 이건웅·양선혜·정승열·김익준 박사)(사진=한국전기연구원)

실리콘은 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고 충·방전 속도도 빠르지만 충·방전 시 부피가 3배 수준으로 커지고, 전기 전도도가 낮다. 실리콘 입자가 부서지거나 전극 박리, 연속적인 전해액 분해 반응 때문에 전지 성능이 급격히 줄어들어 상용화하기 어려웠다.

연구팀은 2차원 탄소나노소재로서 전도성이 우수하고, 전기 화학적으로도 안정된 그래핀에 주목했다. 연구진은 실리콘과 그래핀을 합친 리튬이온전지용 고용량 음극재 제조기술을 개발했다.

우선 높은 결정성과 전기 전도성을 지닌 ‘산화·환원 그래핀’ 제조 기술을 만들고, 이를 효과적으로 나눠 다른 물질과 결합을 쉽게 하는 고농도 분말 형태의 ‘그래핀 수계 분산 기술’을 개발했다. 또 기존 리튬이차전지용 활물질 제조공정과 접목해 상용화를 위한 대량제조 공정기술도 확보했다.

기존 리튬이차전지 음극에 들어갔던 실리콘의 양은 기존 5% 이내 수준에서 20%까지 늘려 고용량·고품질의 음극을 안정적으로 만들었다. 비싼 나노 실리콘이 아닌 마이크론 크기의 실리콘을 썼고, 전기연의 고결정성 그래핀 분산기술을 이용해 코어·쉘 구조(코어인 실리콘을 그래핀이 껍데기처럼 감싸는 구조)로 복합 음극재를 대량 제조할 기술을 개발했다. 이후 실리콘·그래핀 복합 음극재를 기반으로 시작품인 ‘파우치형 풀 셀’을 만들고, 전기화학적 특성 검사를 끝냈다.

연구팀은 이 기술을 전기·전자 소재·부품 전문기업인 HNS에 11억원에 기술을 이전했다. 연구팀은 상용화가 이뤄지면 월간 톤 단위 이상의 실리콘·그래핀 복합체 분말을 제조할 수 있을 것으로 보고 있다. 에너지 밀도로 바꾸면 스마트폰용 배터리 약 3만 6000대와 600MWh 용량의 전기차용 배터리를 생산할 수 있다.

이건웅 박사는 “실리콘·그래핀 복합 음극재 기술은 친환경 전기차, 에너지저장시스템, 방위산업, 우주·항공 등 다양한 분야에서 쓰는 고용량 리튬이온전지의 성능을 높일 수 있다”며 “전기차에 적용하면 배터리의 성능을 높여 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있다”고 말했다.