전기차 노트북 배터리 가격 낮출 실리콘 그래핀 음극재 개발

전기硏 연 2000만대 스마트폰용 배터리 생산 가능

정승열 한국전기연구원 책임연구원(왼쪽)과 이건웅 본부장(오른쪽)이 새로 개발한 그래핀-실리콘 복합 음극재를 들어 보이고 있다. 한국전기연구원 제공.

휴대전화나 노트북 컴퓨터, 전기차 등에 주로 사용되는 ‘리튬이온배터리’의 가격을 큰 폭으로 낮출 수 있는 기술을 국내 연구기관이 개발했다.

한국전기연구원(전기연) 창의원천연구본부 이건웅 책임연구원팀은 ‘리튬이온전지용 실리콘-그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’을 개발했다고 30일 밝혔다.  주요 소재인 ‘실리콘(Si)’의 단점을 보완하면서, 저렴한 가격으로 복합 음극재를 제조할 수 있는 기술이라 국내 중소·중견 업체들도 쉽게 접근 가능할 것으로 보인다.

현재 리튬이온전지의 음(-)전극을 만드는 새로운 소재로 실리큰을 주로 검토 중이다. 실리콘은 흑연보다 약 10배 이상의 이론 에너지 밀도를 가지고 있기 때문이다. 하지만 전기 전도도가 매우 낮아 충전과 방전을 반복하면 4배 정도 부피가 팽창한다. 입자가 부서지거나 전극이 벗겨져 전지 성능을 급격히 감소시키는 문제도 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 이를 극복하기 위해 실리콘과 다양한 소재의 복합화에 관한 연구가 국내외에서 활발하게 진행되고 있다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 미래 신소재로 불리는 ‘그래핀’에 주목했다. 그래핀은 얇은 탄소물질로 전도성이 우수하며, 전기 화학적으로 안정하여 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 또한 그래핀 코팅층은 강도 역시 우수하기 때문에 실리콘 부피 팽창에 따른 성능 감소를 억제할 수 있다.

연구진은 기존 고가의 나노 실리콘보다 값싼 마이크로미터(μm) 크기의 상용 실리콘을 활용했으며, 여기에 고전도성 그래핀 분산기술을 적용해 복합 음극재를 대량으로 제조하는 방법을 개발했다. 연구팀은 실리콘-그래핀 복합 음극재를 기반의 전극을 제작하고, 전기화학적 특성 검사까지 마쳐 상용화를 위한 준비과정을 끝마쳤다. 제조공정에서 큰 투자가 필요하지 않아 중소·중견 기업들도 쉽게 접근할 수있는 것이 장점이다.

개발된 실리콘-그래핀 복합 음극재 기술은 다양한 분야에 쓰이고 있는 리튬이온 배터리의 성능을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 연구팀은 예상하고 있다. 특히 전기자동차에 적용할 경우 배터리의 성능을 높여 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있다.

연구팀은 이번에 개발된 기술을 국내 기업에 이전해 사업화를 추진할 계획이다. 상용화되면 국내 공정을 조금만 변경해 매년 약 2000만 대 분량의 스마트폰용 배터리를 생산할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이건웅 책임연구원은 “이번 연구결과는 다양한 전기·전자 소자 개발에 응용할 수 있다”고 말했다.  실무책임자인 정승열 책임은 30조 원에 달하는 전 세계 리튬이온전지 시장을 선도하는 데 앞장서겠다”고 밝혔다.
 

[전승민 기자 enhanced@donga.com]