“전기차 주행거리 20% 이상 늘린다”…꿈의 소재 ‘그래핀’이 단서

■ 전기차 시장 확대로 주목받는 ‘리튬이온’ 배터리

전기차와 휴대전화, 노트북 등의 사용 확대로 배터리로 이용되는 리튬이온전지의 중요성이 날로 커지고 있습니다. 특히 전기차의 급속한 확산에 따라 리튬이온 배터리 시장은 2025년 1,600억 달러로 1,490억 달러인 메모리 반도체 시장을 앞설 거라는 전망도 나와 있습니다.

LG에너지솔루션, CATL 등 국내외 배터리 업체들이 고용량의 안정적인 배터리를 개발하기 위해 치열한 경쟁을 펼치고 있는 이유입니다.

리튬이온 배터리는 양극재와 음극재, 전해액, 분리막 4가지로 구성됩니다.

리튬이온전지 구조

양극재는 니켈이나 코발트 등에 리튬을 조합해 만듭니다. 최적의 비율을 찾아내는 게 경쟁력인데 최근엔 니켈 함량이 80% 이상인 ‘하이니켈 양극재’가 주목받고 있습니다.

리튬이온전지의 차세대 음극 소재로는 현재 사용 중인 흑연 외에 이제는 실리콘이 주목받고 있습니다. 실리콘은 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고 충전과 방전 속도도 빠르다는 장점이 있습니다.

하지만 실리콘은 충전과 방전을 반복하는 과정에서 부피가 3배까지 팽창하고 또 실리콘 입자가 부서지며 전지 성능을 급격히 감소시킬 수 있어 상용화에는 큰 한계가 있었습니다.

■ 배터리 팽창하는 실리콘 단점 극복게 한 꿈의 소재 ‘그래핀’

그래핀이 실리콘을 감싸는 ‘코어(core)-쉘(shell)’ 구조

한국전기연구원이 꿈의 소재라 불리는 ‘그래핀’으로 이 문제를 해결했습니다.

흑연을 아주 얇게 1겹만 벗겨낸 소재인 그래핀으로 실리콘을 감싸도록 한 겁니다. 기계적으로 우수한 그물망 구조를 가진 그래핀 코팅층이 실리콘의 부피 팽창을 억제하도록 했습니다.

그래핀은 2차원 탄소나노소재로 전도성이 우수합니다. 또 전기 화학적으로 안정돼 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있습니다.

전기연구원이 그래핀을 활용해 실리콘이 가진 장점은 살리면서도 단점은 보완한 겁니다. 실리콘과 그래핀의 복합화를 통해 이상적인 리튬이온전지용 음극재 제조기술이 구현된 겁니다.

■ 리튬이온전지 음극재에서 실리콘 함량 20%까지 증가…고용량 배터리 가능해져

한국전기연구원은 10년 이상 그래핀 연구에 매진해 왔는데 특화된 산화·환원 공정을 통해 높은 결정성과 전기 전도성을 가진 ‘산화/환원 그래핀(GO, rGO)’을 만들어 냈습니다. 특히 이렇게 개발한 ‘산화/환원 그래핀’을 다른 물질과 쉽게 결합할 수 있도록 액체 형태와 고농도 페이스트 형태로도 개발했습니다.

전기연구원은 이를 통해 리튬이온전지 음극에 들어갔던 실리콘의 양을 기존 5% 이내 수준에서 20%까지 증가시켰습니다.

현재 리튬이온전지 음극재에서 ‘흑연 95%+실리콘 5%’ 인 한계를 극복하고 ‘흑연 80%+실리콘 20%’까지 실리콘 첨가량을 늘린 겁니다.

흑연보다 에너지 밀도가 높고 충전과 방전 속도가 빠른 실리콘 함량이 늘어나게 됐는데, 그만큼 리튬이온전지의 전체 성능이 향상될 수 있습니다.

‘실리콘-그래핀 복합 음극재’를 연구하고 있는 한국전기연구원 연구원들

■ “전기차 주행거리 20% 이상 늘린다”…국내 기업에 기술 이전

한국전기연구원은 이번에 개발한 기술을 전기차에 적용할 경우 배터리의 성능을 높여 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

현재 한 번 충전으로 400km를 달리는 전기차라면 500km까지 주행거리를 늘릴 수 있다는 설명입니다.

전기연구원은 ‘실리콘/그래핀 복합 음극재 기술’이 전기차는 물론 에너지저장시스템(ESS)과 방위산업, 우주·항공 등 다양한 분야에서 리튬이온전지의 성능을 획기적으로 높일 것으로 보고 있습니다.

전기연구원은 이번 기술 개발 성과를 국내외에 특허 등록하고, 최근 국내 한 전기전자 소재부품 전문기업에 11억 원에 기술을 이전했습니다.

시장조사 기업 등에 따르면 전 세계 리튬이온전지 음극 활물질 수요량은 2025년까지 136만 톤으로 해마다 39%씩 성장할 전망입니다. 이 가운데 실리콘 음극재는 11%를 점유해 해마다 70% 이상 성장할 것으로 예상됩니다.