한국전기연구원(KERI)이 리튬이온전지 성능은 높이고 제조 단가는 줄일 수 있는 새로운 복합 음극재와 대량 생산기술을 개발했다. 곧바로 기업에 이전해 상용화한다.
KERI(원장 명성호)는 이건웅·정승열·김익준·양선혜 연구팀이 고용량 리튬이온전지용 '실리콘·그래핀 복합 음극재'와 '복합 음극재 대량 생산기술'을 개발, 전자소재 전문기업 HNS에 11억원에 이전했다고 30일 밝혔다.
실리콘·그래핀 복합 음극재는 기존 리튬이온전지 음극재인 '실리콘(Si)'의 강점은 살리고, 단점은 보완한 새로운 음극재다.
기존 고용량 리튬이온전지 음극재로는 흑연을 많이 썼다. 실리콘은 흑연보다 10배 높은 에너지 밀도에 충·방전 속도도 빨라 최근 사용이 늘고 있다. 문제는 충·방전 때 부피가 흑연보다 3~4배 더 팽창하면서 전기 전도도를 비롯한 전지 성능을 떨어뜨린다는 점이다.
연구팀은 그래핀으로 실리콘을 감싼 형태의 복합재를 개발, 이 문제를 해결했다.
전도성이 우수하고 전기화학적으로 안정된 그래핀으로 실리콘을 보호해 부피 팽창에 따른 전지 성능 감소를 억제하는 원리다.
또 부피 팽창 때문에 그동안 5%에 그친 실리콘 양(첨가량)을 20%까지 늘리는 데 성공했다. 새로 개발한 복합 음극재를 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 공정기술도 개발했다.
기존 고가의 나노 실리콘 대신 저렴한 마이크로미터(μm) 크기의 실리콘을 사용하고, KERI가 보유하고 있는 고결정성 그래핀 분산기술을 적용해 대량 생산의 길을 열었다.
이 복합 음극재를 전기차용 리튬이온전지에 적용하면 주행거리를 20% 이상 늘릴 수 있다. 이어서 복합 음극재 시제품으로 '파우치형 풀 셀(Full Cell)'을 제작, 전기화학 특성 검사를 완료했다. 국내외 특허 등록도 마쳤다.
KERI는 HNS에 생산 공정화와 양산 사업화를 지원, 실리콘·그래핀 복합재 분말을 월간 톤(t) 단위 이상으로 양산할 계획이다. 스마트폰용 배터리는 3만6000대 분량, 전기차용 배터리는 600MWh 용량에 각각 해당하는 규모다.
이건웅 책임연구원은 “실리콘·그래핀 복합 음극재와 대량 생산기술의 최대 장점은 중소·중견기업도 쉽게 접근할 수 있을 정도의 뛰어난 가격 경쟁력”이라면서 “고용량 리튬이온전지의 성능 향상과 대중화에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
시장조사기업 SNE 리서치에 따르면 세계 리튬이차전지용 음극 활물질 수요량은 연평균 39%씩 늘어 2025년에는 136만톤에 이를 것으로 예상된다. 현재 11%의 시장 점유율을 갖고 있는 실리콘 음극재는 연평균 70% 이상 수요가 증가할 것으로 전망되고 있다.
창원=임동식기자 dslim@etnews.com
