개발하자마자 11억원에 팔린 차세대 배터리 기술

한국전기연구원, 실리콘에 그래핀 첨가한 음극재 제조기술 개발
전기車 배터리 용량 20% 늘리고 값 싸서 시장 경쟁력 높아
(주)HNS에 11억원 받고 기술 이전 계약 체결

[아시아경제 김봉수 기자]국내 공공연구기관이 개발한 차세대 배터리 기술이 개발되자 마자 11억원의 기술 이전료를 받고 판매돼 관심을 끌고 있다.

한국전기연구원(KERI)은 이건웅·정승열 나노융합연구센터 박사팀, 김익준·양선혜 차세대 전지연구센터 박사팀이 공동으로 개발한 ‘고용량 리튬이온전지용 실리콘·그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’을 전기·전자 소재·부품 전문기업인 ㈜HNS에 최근 11억원을 받고 판매했다고 30일 밝혔다.

◆전기車 주행거리 20% 늘린다

이 기술은 한 마디로 실리콘(Si)과 메타물질 그래핀을 섞어 전기 배터리 소재로 쓰는 기술이다. 실리콘은 리튬이온전지의 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 기존에 사용되고 있는 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고 충·방전 속도도 빠르다. 문제는 충전하거나 방전할 때 부피가 3배 정도 팽창되고 전기 전도도가 낮다는 것이다. 실리콘 입자가 부서지거나 전극 박리 및 연속적인 전해액 분해 반응으로 인해 전지 성능이 급격히 감소된다는 점도 문제다.

KERI 연구팀은 강도가 강철의 200배에 달하고 전기 전도도도 구리의 100배에 달하는 새로운 메타 물질(자연계에 없는 성질을 지니도록 설계된 새로운 물질)인 '그래핀'을 첨부해 실리콘의 장점은 살리면서 단점을 보완하는 데 성공했다.

연구팀은 10년 이상 그래핀에 연구해왔던 노하우를 살려 높은 결정성과 전기 전도성을 가진 '산화·환원 그래핀(GO, rGO)'을 제조해냈다. 또 다른 물질과 결합하기 쉽게 할 수 있는 고농도 페이스트 형태의 ‘그래핀 수계 분산 기술’까지 개발했다. 한 단계 더 나아가 기존 리튬이차전지용 활물질 제조공정과 접목시켜 상용화까지 이어질 수 있는 대량제조 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 결과를 얻었다.

◆뛰어난 가격 경쟁력

무엇보다 이번 기술의 최대 강점은 중소·중견 기업들도 쉽게 접근할 수 있을 정도의 뛰어난 가격경쟁력이다. 기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론(μm) 크기의 실리콘을 활용했다. 고결정성 그래핀 분산기술을 적용해 코어-쉘(Core-Shell) 구조(코어인 실리콘을 그래핀이 껍데기처럼 감싸는 구조)의 복합 음극재를 대량으로 제조할 수 있는 기술 개발에 성공했다. 이후 연구팀은 실리콘·그래핀 복합 음극재를 기반으로 한 시작품인 ‘파우치형 풀 셀(Full Cell)’을 제작하고, 전기화학적 특성 검사까지 마무리했으며, 기술에 대한 국내·외 원천특허 등록까지 완료했다.

KERI 연구팀은 이번 기술이전을 통한 상용화로 월간 톤(t) 단위 이상의 실리콘/그래핀 복합체 분말을 제조할 수 있을 것으로 보고 있다. 에너지 밀도로 환산하면 스마트폰용 배터리 약 3만 6000대 분량, 600MWh 용량의 전기차용 배터리를 생산할 수 있는 규모다.

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 적용할 경우 배터리의 성능을 높여 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

시장조사 기업 SNE 리서치에 따르면 전 세계 리튬이차전지용 음극 활물질 수요량은 2025년까지 136만t로 연평균 39% 성장할 전망이다. 그중 실리콘 음극재는 11%를 점유해 연평균 70% 이상 급격히 성장할 것으로 예상된다. 리튬이차전지 음극재 세계시장 규모는 연평균 30%의 성장률을 기록하며 2023년에는 54억 달러까지 성장할 것으로 예상된다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr