전기硏, 실리콘-그래핀 복합 음극재 상용화 기술 개발
전기硏, 실리콘-그래핀 복합 음극재 상용화 기술 개발
  • 조강희 기자
  • 승인 2018.09.03 10:39
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마이크론 크기 실리콘 활용 리튬이온전지 성능 개선

[한국에너지신문] 리튬이온전지의 주요 소재인 ‘실리콘(Si)’의 단점을 보완하면서, 저렴한 가격으로 국내 중소·중견 업체들도 쉽게 접근 가능한 획기적인 복합 음극재 제조기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

‘리튬이온전지용 실리콘-그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’을 개발한 양선혜 선임연구원(왼쪽)과 이혜정 연구원
‘리튬이온전지용 실리콘-그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’을 개발한 양선혜 선임연구원(왼쪽)과 이혜정 연구원

전기연구원(원장 최규하)은 최근 자체 정부출연금사업을 통해 ‘리튬이온전지용 실리콘-그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’을 개발했다.

재료·소재 연구를 맡는 창의원천연구본부 나노융합기술연구센터의 이건웅 책임, 정승열 책임, 박종환 선임과 전지연구센터 김익준 책임, 양선혜 선임 등이 공동으로 주관했다.

리튬이온전지의 차세대 음극재로 대두되고 있는 소재는 실리콘이다. 실리콘은 흑연보다 약 10배 이상의 이론 에너지 밀도를 가지고 있지만, 전기 전도도가 매우 낮고 충전과 방전을 반복하면 4배 정도 부피가 팽창한다.

심지어 입자가 부서지거나 전극이 벗겨져 전지 성능을 급격히 감소시키기도 한다. 이를 극복하기 위해 실리콘과 다양한 소재를 복합해 신소재를 만드는 연구가 국내외에서 활발하게 진행되고 있다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘그래핀’에 주목했다. 그래핀은 2차원 탄소나노소재로서 전도성이 우수하며, 전기 화학적으로 안정돼 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다.

또한 그래핀 코팅층은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조이기 때문에 실리콘의 부피팽창에 따른 성능 감소를 억제할 수 있다.

이 기술의 최대 강점은 중소·중견 기업도 쉽게 접근할 수 있을 정도의 뛰어난 가격 경쟁력이다. 고가의 나노 실리콘에 비해 값싼 마이크론(μm) 크기의 상용 실리콘을 활용했다.

여기에 오랜 연구 노하우가 집적된 고전도성 그래핀 분산기술을 적용해 코어-쉘(Core-Shell) 구조의 복합 음극재를 대량으로 제조할 수 있다.

연구팀은 실리콘-그래핀 복합 음극재를 기반으로 ‘파우치형 풀 셀(Full Cell)’을 제작하고 전기화학적 특성 검사까지 성공적으로 마무리했다.

연구팀은 개발된 기술이 상용화될 경우 연간 톤(t) 단위 이상의 실리콘-그래핀 복합체 분말을 제조할 수 있을 것으로 보고 있다.

에너지 밀도로 환산하면 스마트폰용 배터리 약 2000만 대 분량 및 200㎿h 용량의 전기자동차용 배터리를 생산할 수 있는 규모다.

현재 기술에 대한 원천특허 출원 및 자체적인 양산준비 가능성을 검증하고 기술이전 수요 업체를 탐색하는 등 사업화를 추진하기로 했다.


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