전기연, '실리콘(Si)' 단점 보완 복합 음극재 제조 기술 개발
한국전기연구원(원장 최규하)은 창의원천연구본부의 나노융합기술연센터(이건웅 책임, 정승열 책임, 박종환 선임)와 전지연구센터(김익준 책임, 양선혜 선임)가 공동으로 '리튬이온전지용 실리콘-그래핀 복합 음극재 대량제조 기술'을 개발했다고 30일 밝혔다.
리튬이온전지의 차세대 음극재로 실리콘이 주목되고 있다. 실리콘은 흑연보다 약 10배이상의 이론 에너지 밀도를 가지고 있지만 전기 전도도가 매우 낮아 충전과 방전을 반복하면 4배정도 부피가 팽창한다. 또 입자가 부서지거나 전극이 벗겨져 전지 성능을 급격히 감소시켜 상용화의 걸림돌이 되고 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 그래핀에 주목했다. 그래핀은 2차원 탄소나노소재로서 전도성이 우수하고 전기화학적으로 안정, 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 또 그래핀 코팅층은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조이기 때문에 실리콘 부피팽창에 따른 성능 감소를 억제할 수 있다.
연구팀은 실리콘-그래핀 복합 음극재를 기반으로 '파우치형 풀 셀(Full Cell)'을 제작하고 전기화학적 특성 검사까지 성공, 상용화를 위한 준비과정을 마쳤다.
개발된 실리콘-그래핀 복합 음극재 기술은 친환경 전기자동차, 에너지저장시스템, 방위산업, 우주·항공 등 다양한 분야에서 활용되는 고용량 리튬이온전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 연구팀은 예상하고 있다. 특히 전기자동차에 적용할 경우 배터리의 성능을 높여 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 것으로 예상된다.
전기연은 기술 원천특허 출원과 자체적인 양산 준비 가능성을 검증하고 기술이전 기업을 탐색하며 사업화를 추진 중이다.
이건웅 책임은 "이번 결과는 뛰어난 안정성과 전도성 등 다양한 항목에서 우수한 기술력을 보이면서 높은 가격경쟁력이라는 장점이 결합한 성과로 다양한 전기·전자 소자로의 응용이 가능하다"고 전했다.
실무책임자인 정승열 책임은 "복합 음극재를 대량으로 제조할 수 있는 시스템으로, 이를 기반으로 현재 30조원에 달하는 전 세계 리튬이온전지 시장을 선도하는 데 앞장서겠다"고 강조했다.
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