전기연, '실리콘(Si)' 단점 보완 복합 음극재 제조 기술 개발

실리콘-그래핀 복합 음극재 분말 및 리튬이온전지 풀 셀(Full-Cell) 기반 전기화학특성 실험결과.<사진=한국전기연구원>
실리콘-그래핀 복합 음극재 분말 및 리튬이온전지 풀 셀(Full-Cell) 기반 전기화학특성 실험결과.<사진=한국전기연구원>
친환경 전기차 등에 사용되는 리튬이온전지의 주요 소재인 '실리콘(Si)'의 단점을 보완하고 가격을 낮춘 복합 음극재 제조 기술이 개발됐다.

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.

연구 참여 전기연 연구진.<사진=한국전기연구원>
연구 참여 전기연 연구진.<사진=한국전기연구원>
 

 

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