'꿈의 소재' 그래핀으로 배터리 수명 2배 늘린다

에너지기술연구원, 연료전지 촉매·이차전지 전극 물질 그래핀쉘 코팅 기술 개발
지난 6일 민간업체에 기술 이전 계약 체결 후 상업화 돌입

[아시아경제 김봉수 기자] 탄소중립 달성을 위해 태양광, 풍력 등 재생에너지 기술뿐만 아니라 수소와 연료전지, 이차전지 등 에너지원을 저장·공급하는 차세대 에너지 소자 개발이 활발히 이루어지고 있다. 국내 연구진이 '꿈의 소재'인 그래핀을 이용해 이차전지와 연료전지의 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발하고 상업화에 들어갔다.

한국에너지기술연구원은 김희연 고온에너지전환연구실 박사 연구팀이 연료전지 촉매 및 이차전지 전극 물질의 표면에 다공성 그래핀쉘을 코팅하는 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

연료전지 촉매와 이차전지 전극의 내구성 저하 문제를 근본적으로 해결하는 기술로, 다공성 그래핀쉘을 연료전지 전극용 백금(또 백금-전이금속 합금) 촉매와 이차전지 전극용 실리콘산화물에 적용해 내구성을 200% 이상 향상시킬 수 있다.

연구팀은 2010년대 초부터 꿈의 소재라 불리는 그래핀을 적용한 전극 소재 연구에 집중해왔다. 특히, 모두가 흠집이 없는 매끈한 그래핀을 만드는데 집중할 때, 연구진은 오히려 고정관념을 깨고 구멍이 숭숭 뚫린 다공성 그래핀에 집중했다. 다공성 그래핀을 금속 촉매의 표면에 코팅하는 경우, 중간중간 구멍을 가진 그래핀 껍질의 신축성과 보호효과로 인해 연료전지 및 이차전지의 성능저하를 억제하는 것을 확인했다. 그래핀은 탄소원자 한 개의 두께인 0.3nm(10-9m) 두께의 얇은 막으로 얇고 가벼우면서도 물리적, 화학적 안정성이 높고, 내구성이 뛰어나서 활용 범위가 매우 다양하다.

연구팀은 반도체 공정에 주로 적용되던 화학기상증착 공정을 응용했다. 전극 물질이 놓인 반응 챔버 내에 기체 상태의 탄화수소(탄소와 수소로 이루어진 화합물) 물질을 저농도로 흘려주는 것만으로 연료전지용 백금계 촉매 및 이차전지 전극용 실리콘 나노입자의 표면에 다공성 그래핀쉘을 코팅할 수 있다. 공정이 매우 간단하고, 처리 시간이 수 초에서 수 분 내외로 짧으며, 온도와 반응물의 농도 조절만으로 그래핀쉘의 형상 및 두께를 조절할 수 있다. 이에 더해, 촉매 10kg을 코팅하는데 원료비가 수 백 원에 불과할 정도로 저렴해 적은 예산으로 단기간에 사업화가 용이하다는 장점이 있다.

기본적으로 모든 종류의 배터리는 충방전 과정에서 팽창과 수축을 반복하면서 손상이 발생하고 충전효율이 저하된다. 그러나 이차전지의 차세대 음극재인 실리콘 나노 입자에 다공성 그래핀쉘을 코팅하면 배터리의 충방전 과정에서 발생하는 팽창과 수축에 탄력적으로 반응하면서 수명저하(전극의 비활성화)를 근본적으로 억제할 수 있다. 연료전지 전극용 촉매의 경우, 가동 중 촉매 입자의 심각한 비활성화가 필수적으로 동반되는데, 이 경우에도 촉매 표면에 코팅된 다공성 그래핀쉘의 보호 효과로 촉매 입자의 응집, 부식, 탈락을 근본적으로 억제할 수 있다. 더불어 그래핀쉘에 숭숭 뚫린 구멍을 통해 반응물이 쉽게 이동할 수 있어 촉매 성능 저하를 최소화 할 수 있다.

한편 연구원은 지난 6일 한 민간 업체와 이 기술 이전 계약을 체결해 상업화에 들어갔다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr