리튬이온전지용 고용량 복합 음극재 상용 기술 개발 실리콘 단점 보완한 실리콘-그래핀 복합 음극재, 상용화 나선다 리튬이온 배터리는 1991년 일본의 소니에 의해 상용화된 후 약 30년 간 흑연 계열의 음극재가 사용되고 있다. 음극에 실리콘 신소재를 사용하려는 시도는 전기자동차의 시장 확대가 가장 큰 원인이다. 과거 리튬이온 배터리는 가전제품과 모바일 전자 제품에 주로 사용됐으나 향후 몇 년 안에 전기자동차 배터리 수요가 기존의 수요를 뛰어넘을 것으로 예상한다. 하지만 전기자동차의 짧은 주행거리 문제를 해결하려면 배터리 용량이 크게 개선돼야 한다. 흑연 계열 음극재는 이론 용량 한계가 약 350mAh/g 내외이며 이를 실리콘 계열 물질로 대체하면 약 2천~3천mAh/g까지 끌어올릴 수 있어 음극의 용량을 기존보다 3~4 배 정도 증가시킬 수 있다. 실리콘 계열 재료를 일부만 흑연에 혼합해도 같은 크기 배터리에서 훨씬 많은 용량을 확보할 수 있기 때문에 실리콘 계열 재료의 상용화 연구는 매우 활발히 진행되고 있다. 하지만 실리콘의 낮은 전기 전도도, 전해질 부반응 및 실리콘 부피 변화에 따른 음극의 두께 증가 현상에 의해 배터리 수명이 단축되는 현상을 해결하는 것이 가장 큰 과제이다. 이에 실리콘·탄소 계열 복합소재를 개발하는 것이 해법으로 제시됐으며, 특히 높은 전기전도성과 우수한 기계적 강도를 가진 실리콘-그래핀 복합재 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 그래핀이 실리콘 표면에 코팅된 코어-쉘 형태의 소재인 경우 전도도 향상, 실리콘 파쇄/소결 저감, 전해질 부반응 억제 효과를 극대화 할 수 있어 실리콘 소재 기반 리튬이온 배터리의 수명 특성을 크게 향상 시킬 수 있다. 친환경 전기차 등에 사용되는 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.과학기술정보통신부 산하 전기전문 연구기관인 한국전기연구원(KERI)은 최근 자체 정부출연금사업을 통해 ‘리튬이온전지용 실리콘-그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’을 개발했다고 30일 밝혔다. 한국전기연구원(이하 KERI)에서 재료·소재 연구를 맡는 창의원천연구본부의 나노융합기술연구센터(이건웅 책임, 정승열 책임, 박종환 선임)와 전지연구센터(김익준 책임, 양선혜 선임)가 공동으로 주관했다.현재 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 감소시키는 문제도 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 이를 극복하기 위해 실리콘과 다양한 소재의 복합화에 관한 연구가 국내외에서 활발하게 진행되는 이유다.KERI 연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘그래핀’에 주목했다. 그래핀은 2차원 탄소나노소재로써 전도성이 우수하며, 전기 화학적으로 안정해 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 또한 그래핀 코팅층은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조이기 때문에 실리콘의 부피팽창에 따른 성능 감소를 억제 할 수 있다. 이번 기술의 최대 강점은 중소·중견 기업들도 쉽게 접근할 수 있을 정도의 뛰어난 가격경쟁력이다. 기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론(μm) 크기의 상용 실리콘을 활용했으며, 여기에 오랜 연구 노하우가 집적된 KERI만의 고전도성 그래핀 분산기술을 적용해 코어-쉘(Core-Shell) 구조의 복합 음극재를 대량으로 제조할 수 있게 됐다. 연구팀은 실리콘-그래핀 복합 음극재를 기반으로 ‘파우치형 풀 셀(Full Cell)’을 제작하고 전기화학적 특성 검사까지 성공적으로 마무리하며 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 수 있을 것으로 보고 있다. 과제책임자인 이건웅 책임은 “이번 결과는 뛰어난 안정성 및 전도성 등 다양한 항목에서 우수한 기술력을 보이면서도 높은 가격경쟁력이라는 장점이 결합한 성과로 다양한 전기·전자 소자로의 응용이 가능하다”고 전했으며, 실무책임자인 정승열 책임은 “복합 음극재를 대량으로 제조할 수 있는 시스템으로, 이를 기반으로 현재 30조 원에 달하는 전 세계 리튬이온전지 시장을 선도하는 데 앞장서겠다”고 밝혔다.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 2천만 대 분량 및 2천MWh 용량의 전기자동차용 배터리를 생산할 수 있는 규모다. 실리콘-그래핀 기반 고용량 리튬 이차 전지 상용화에 성공할 경우 기존 배터리의 용량을 20% 이상 높일 수 있으며, 특히 전기자동차용 고용량 배터리를 탑재함으로써 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 예상한다. 또한, 현재 약 30조 원에 달하는 전 세계 리튬 이온전지 시장을 선도 할 수 있을 것으로 기대된다.

리튬이온전지용 고용량 복합 음극재 상용 기술 개발

실리콘 단점 보완한 실리콘-그래핀 복합 음극재, 상용화 나선다

기사입력 2018-08-30 16:01:40

[산업일보]

리튬이온 배터리는 1991년 일본의 소니에 의해 상용화된 후 약 30년 간 흑연 계열의 음극재가 사용되고 있다. 음극에 실리콘 신소재를 사용하려는 시도는 전기자동차의 시장 확대가 가장 큰 원인이다. 과거 리튬이온 배터리는 가전제품과 모바일 전자 제품에 주로 사용됐으나 향후 몇 년 안에 전기자동차 배터리 수요가 기존의 수요를 뛰어넘을 것으로 예상한다. 하지만 전기자동차의 짧은 주행거리 문제를 해결하려면 배터리 용량이 크게 개선돼야 한다. 흑연 계열 음극재는 이론 용량 한계가 약 350mAh/g 내외이며 이를 실리콘 계열 물질로 대체하면 약 2천~3천mAh/g까지 끌어올릴 수 있어 음극의 용량을 기존보다 3~4 배 정도 증가시킬 수 있다. 실리콘 계열 재료를 일부만 흑연에 혼합해도 같은 크기 배터리에서 훨씬 많은 용량을 확보할 수 있기 때문에 실리콘 계열 재료의 상용화 연구는 매우 활발히 진행되고 있다.

하지만 실리콘의 낮은 전기 전도도, 전해질 부반응 및 실리콘 부피 변화에 따른 음극의 두께 증가 현상에 의해 배터리 수명이 단축되는 현상을 해결하는 것이 가장 큰 과제이다. 이에 실리콘·탄소 계열 복합소재를 개발하는 것이 해법으로 제시됐으며, 특히 높은 전기전도성과 우수한 기계적 강도를 가진 실리콘-그래핀 복합재 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 그래핀이 실리콘 표면에 코팅된 코어-쉘 형태의 소재인 경우 전도도 향상, 실리콘 파쇄/소결 저감, 전해질 부반응 억제 효과를 극대화 할 수 있어 실리콘 소재 기반 리튬이온 배터리의 수명 특성을 크게 향상 시킬 수 있다.

기술 개발을 이끈 정승열 책임(왼쪽)과 이건웅 본부장(오른쪽)이 그래핀-실리콘 복합 음극재를 들고 포즈를 취하고 있다

친환경 전기차 등에 사용되는 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.

과학기술정보통신부 산하 전기전문 연구기관인 한국전기연구원(KERI)은 최근 자체 정부출연금사업을 통해 ‘리튬이온전지용 실리콘-그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’을 개발했다고 30일 밝혔다. 한국전기연구원(이하 KERI)에서 재료·소재 연구를 맡는 창의원천연구본부의 나노융합기술연구센터(이건웅 책임, 정승열 책임, 박종환 선임)와 전지연구센터(김익준 책임, 양선혜 선임)가 공동으로 주관했다.

현재 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 감소시키는 문제도 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 이를 극복하기 위해 실리콘과 다양한 소재의 복합화에 관한 연구가 국내외에서 활발하게 진행되는 이유다.

연구개발자 양선혜 선임연구원(좌), 이혜정 연구원(우)이 실리콘-그래핀 복합 음극재 기반 대면적 음극 및 양극을 들고 있다

KERI 연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘그래핀’에 주목했다. 그래핀은 2차원 탄소나노소재로써 전도성이 우수하며, 전기 화학적으로 안정해 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 또한 그래핀 코팅층은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조이기 때문에 실리콘의 부피팽창에 따른 성능 감소를 억제 할 수 있다.

이번 기술의 최대 강점은 중소·중견 기업들도 쉽게 접근할 수 있을 정도의 뛰어난 가격경쟁력이다. 기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론(μm) 크기의 상용 실리콘을 활용했으며, 여기에 오랜 연구 노하우가 집적된 KERI만의 고전도성 그래핀 분산기술을 적용해 코어-쉘(Core-Shell) 구조의 복합 음극재를 대량으로 제조할 수 있게 됐다. 연구팀은 실리콘-그래핀 복합 음극재를 기반으로 ‘파우치형 풀 셀(Full Cell)’을 제작하고 전기화학적 특성 검사까지 성공적으로 마무리하며 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 수 있을 것으로 보고 있다.

과제책임자인 이건웅 책임은 “이번 결과는 뛰어난 안정성 및 전도성 등 다양한 항목에서 우수한 기술력을 보이면서도 높은 가격경쟁력이라는 장점이 결합한 성과로 다양한 전기·전자 소자로의 응용이 가능하다”고 전했으며, 실무책임자인 정승열 책임은 “복합 음극재를 대량으로 제조할 수 있는 시스템으로, 이를 기반으로 현재 30조 원에 달하는 전 세계 리튬이온전지 시장을 선도하는 데 앞장서겠다”고 밝혔다.

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 2천만 대 분량 및 2천MWh 용량의 전기자동차용 배터리를 생산할 수 있는 규모다. 실리콘-그래핀 기반 고용량 리튬 이차 전지 상용화에 성공할 경우 기존 배터리의 용량을 20% 이상 높일 수 있으며, 특히 전기자동차용 고용량 배터리를 탑재함으로써 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 예상한다. 또한, 현재 약 30조 원에 달하는 전 세계 리튬 이온전지 시장을 선도 할 수 있을 것으로 기대된다.

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김예리 기자 yrkim@kidd.co.kr

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