KERI, 배터리 음극재 대량 제조기술 11억원 기술이전 쾌거

한국전기연구원(KERI)은 ‘고용량 리튬이온전지용 실리콘+그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’을 11억 원에 국내 기업에 이전하는 쾌거를 올렸다고 30일 밝혔다.

이 기술은 KERI 전기재료연구본부 소속 나노융합연구센터 이건웅·정승열 박사팀, 차세대전지연구센터 김익준·양선혜 박사팀이 공동으로 개발했다.

친환경 전기차 및 스마트폰 등에 사용되는 리튬이온전지의 음극 소재인 실리콘(Si)의 단점을 보완하면서 저렴한 가격으로 국내 중소·중견 업체들도 쉽게 접근 가능한 획기적인 복합 음극재 제조기술이다.

리튬이온전지의 차세대 음극 소재로 주목받는 실리콘은 기존에 사용되던 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고 충·방전 속도도 빠르다는 장점이 있지만, 충전 및 방전 시 부피가 3배 수준으로 팽창하고 전기 전도도가 낮아진다는 단점이 있었다.

또한 실리콘 입자가 부서지거나 전극 박리 및 연속적인 전해액 분해 반응으로 인해 전지 성능을 급격히 감소시킬 수 있다는 문제점이 있어 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.

이러한 이유로 실리콘 장점은 살리되 단점을 보완해주는 소재의 복합화 연구가 국내·외에서 활발하게 진행되고 있다.

KERI 연구팀이 주목한 소재는 ‘그래핀’이었다.

그래핀은 2차원 탄소나노소재로 전도성이 매우 우수하고, 전기 화학적으로도 안정하여 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 또한 그래핀 코팅층은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조이기 때문에 실리콘의 부피 팽창에 따른 성능 감소를 억제 할 수 있다.



이러한 원리를 기반으로 KERI는 실리콘과 그래핀의 복합화를 통해 이상적인 ‘리튬이온전지용 고용량 음극재 제조기술’ 개발에 성공했다.

더 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.

KERI 기술의 최대 강점은 중소·중견 기업들도 쉽게 접근할 수 있을 정도의 뛰어난 가격경쟁력이다.

기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론(μm) 크기의 실리콘을 활용하고, 여기에 오랜 연구 노하우가 집적된 KERI만의 고결정성 그래핀 분산기술을 적용해 코어-쉘(Core-Shell) 구조(코어인 실리콘을 그래핀이 껍데기처럼 감싸는 구조)의 복합 음극재를 대량으로 제조할 수 있는 기술 개발에 성공했기 때문이다.



연구팀은 실리콘+그래핀 복합 음극재를 기반으로 한 시작품인 ‘파우치형 풀 셀(Full Cell)’을 제작하고, 전기화학적 특성 검사까지 마무리했다. 기술에 대한 국내·외 원천특허 등록까지 완료했다.

KERI는 최근 해당 기술을 국내 전기·전자 소재·부품 전문기업인 ㈜HNS(대표 남동진)에 11억원에 이전했다.

연구팀은 이번 기술이전을 통한 상용화로 월간 t 단위 이상의 실리콘+그래핀 복합체 분말을 제조할 수 있을 것으로 보고 있다.

이는 에너지 밀도로 환산하면 스마트폰용 배터리 약 3만6000대 분량 및 600MWh 용량의 전기차용 배터리를 생산할 수 있는 규모다.

KERI 연구팀은 향후 개발 소재에 대한 생산 공정화 및 양산화 기술을 확보하여 사업화 및 상용화까지 지원한다는 계획이다.

과제책임자인 이건웅 박사는 “실리콘+그래핀 복합 음극재 기술은 친환경 전기차, 에너지저장시스템(ESS), 방위산업, 우주·항공 등 다양한 분야에서 활용되는 고용량 리튬이온전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있을 것”이라며 “특히 전기차에 적용하면 주행거리를 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 본다”고 밝혔다.