KERI '그래핀' 복합 음극재 양산화 눈앞

꿈의 기술… 리튬이온전지용
전기차 주행거리 획기적 상승

한국전기연구원(KERI)의 역대급 연구성과 중 하나로 손꼽히는 리튬이온전지용 실리콘/그래핀 복합 음극재가 기술이전 4년 만에 양산화를 눈앞에 두고 있다.

실리콘/그래핀 복합 음극재는 리튬이온전지의 차세대 음극 소재로 주목받는 실리콘의 단점을 그래핀으로 보완한 것으로, 국책연구기관의 연구개발 기술이 기업과 협력해 상용화로 이어진 바람직한 상생의 사례로 손꼽히고 있다.

이 기술은 지난 2021년, 11억 원의 기술료로 전기·전자 소재·부품 전문기업인 (주)JNC머트리얼즈에 이전된 바 있다.

실리콘은 기존 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고, 충·방전 속도도 빠르다는 장점을 가지고 있지만, 충·방전 시 부피 팽창(3배 수준) 문제와 전기 전도도가 낮다는 단점이 있었다.

KERI는 2차원 탄소나노소재인 '그래핀'을 활용해 실리콘의 부피 팽창에 따른 성능 감소를 크게 완화했다.

이를 통해 기존 리튬이차전지 음극에 들어갔던 실리콘의 양(첨가량)을 기존 5% 이내 수준에서 20%까지 4배 이상 증가시켜 고용량·고품질의 음극을 안정적으로 제조하는 결과를 얻었다. 이는 전기차에 적용하면 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 정도의 성능이다. 재료도 기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론(μm) 크기의 실리콘을 활용해 가격 경쟁력을 확보했다.

기술이전을 받은 (주)JNC머트리얼즈은 충북 제천의 '국가첨단전략산업 이차전지 특화단지'에 입주해 그래핀 양산화를 위한 기반을 마련했다. 해당 설비는 수천 t급의 고품질 그래핀을 대량 생산할 수 있는 규모다. 추후 실리콘과의 복합화를 통해 고성능 음극재로 탄생한다면, 약 6만 대의 전기차용 전지(총 4GWh 규모) 혹은 수억 개의 스마트폰용 전지에 적용이 가능한 용량이다. 또한, 고용량·고성능 리튬이온전지가 필요한 에너지저장장치(ESS), 고성능 AI 반도체 및 서버 등에 활용 가능하다.