이는 전기차, 스마트폰 등에 사용되는 리튬이온전지의 음극 소재인 실리콘(Si)의 단점을 보완하면서, 저렴한 가격으로 국내 중소·중견 업체들도 쉽게 접근 가능한 복합 음극재 제조기술이다.
이 기술은 KERI 전기재료연구본부 소속 나노융합연구센터 이건웅·정승열 박사팀, 차세대전지연구센터 김익준·양선혜 박사팀이 공동 개발했다.
연구팀에 따르면 실리콘은 기존에 사용되던 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고 충·방전 속도도 빠르다는 장점이 있다. 하지만, 충전·방전 시 부피가 3배 수준으로 팽창하고 전기 전도도가 낮아진다는 단점이 있었다. 또 실리콘 입자가 부서지거나 전극 박리 및 연속적인 전해액 분해 반응으로 인해 전지 성능을 급격히 감소시킬 수 있다는 문제점이 따랐다.
이 같은 이유로 실리콘 장점은 살리되 단점을 보완해주는 소재의 복합화 연구가 국내·외에서 활발하게 진행되고 있다.
KERI 연구팀이 주목한 소재는 '그래핀'이다. 그래핀은 2차원 탄소나노소재로 전도성이 우수하고, 전기 화학적으로도 안정돼 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다.
또 그래핀 코팅층은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조이므로 실리콘의 부피 팽창에 따른 성능 감소를 억제 할 수 있다. 이런 원리를 기반으로 KERI는 실리콘과 그래핀의 복합화를 통해 이상적인 '리튬이온전지용 고용량 음극재 제조기술' 개발에 성공했다. 나아가 기존 리튬이차전지용 활물질 제조공정과 접목시켜 상용화까지 이어질 수 있는 대량 제조 공정기술도 확보했다.
이를 통해 기존 리튬이차전지 음극에 들어갔던 실리콘의 양(첨가량)을 기존 5% 이내 수준에서 20%까지 증가시켜 고용량·고품질의 음극을 안정적으로 제조할 수 있는 연구결과를 얻었다.
연구팀은 실리콘과 그래핀 복합 음극재를 기반으로 한 시제품인 '파우치형 풀 셀(Full Cell)'을 제작하고, 전기화학적 특성 검사까지 마무리했다. 아울러 이번 기술에 대한 국내·외 원천특허 등록까지 완료했다.
연구팀은 이번 기술이전을 통한 상용화로 월간 톤(t) 단위 이상의 '실리콘+그래핀 복합체 분말'을 제조할 수 있을 것으로 보고 있다. 이는 에너지 밀도로 환산하면 스마트폰용 배터리 약 3만6000대 분량 및 600MWh 용량의 전기차용 배터리를 생산할 수 있는 규모다.
이건웅 박사는 "이번 실리콘+그래핀 복합 음극재 기술을 전기차에 적용하면 주행거리를 20% 이상 늘릴 수 있을 것"이라고 강조했다.
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