한국전기연구원(KERI)이 리튬이온전지의 한계를 돌파하며, 실리콘 및 그래핀 복합 음극재 양산 기반을 마련했다.

전기연구원은 자체 개발한 ‘실리콘/그래핀 복합 음극재’ 기술이 양산화를 앞두고 국내 이차전지 산업의 판도를 바꿀 핵심 기술로 주목받고 있다고 1일 밝혔다.

해당 기술은 리튬이온전지의 고용량화를 가능케 하는 실리콘의 단점을 그래핀으로 보완한 것으로, 지난 2021년 ㈜JNC머트리얼즈에 11억원 규모로 기술이전되며 출연(연) 기술 사업화의 모범 사례로 평가받고 있다.

실리콘은 기존 흑연보다 에너지 밀도가 10배 높고 충·방전 속도도 빠르지만, 부피 팽창과 낮은 전도성이라는 단점이 있었다.

KERI는 전기화학적으로 안정적인 그래핀을 활용해 실리콘을 감싸는 ‘코어-쉘’ 구조의 복합 음극재를 개발했다.

이를 통해 실리콘 함량을 기존 5%에서 20%까지 4배 이상 높이며, 전기차 주행거리를 약 20% 향상시킬 수 있는 성능을 확보했다.

또한 고가의 나노 실리콘 대신 마이크론 크기의 실리콘을 사용해 가격 경쟁력도 확보했다.

KERI는 수계 분산 기술과 One-step 공정을 통해 고품질 그래핀을 다양한 형태로 제조하고, 이를 음극 제조 공정에 바로 적용할 수 있도록 했다.

기술이전 이후에도 KERI는 JNC머트리얼즈와 협력하며 상용화를 위한 기술지도를 지속해왔다.

충북 제천 국가첨단전략산업 이차전지 특화단지에 입주한 JNC머트리얼즈는 지난해 국내 최초로 수천 톤급 그래핀 양산 설비를 구축하고 최적화에 성공했다.

해당 설비는 약 6만 대의 전기차용 전지 또는 수억 개의 스마트폰용 전지에 적용 가능한 용량을 생산할 수 있다.

KERI는 미국과 중국에서 추가 특허를 확보하며 기술 권리를 강화했고, 연구 결과는 세계적 학술지 ‘Energy & Environmental Materials’에 게재되며 상용화 가능성과 응용성을 인정받았다. 해당 논문은 IF 14.1, 상위 7% 수준으로 산업계와 학계의 높은 관심을 끌었다.

KERI 정승열 나노융합연구센터장은 “이 기술은 고기능 나노소재 기반의 상용화 기술로, 기술적 완성도와 실용성을 동시에 인정받았다”며 “원천기술 개발부터 양산화까지 이어진 성공 사례로, 출연(연) 기술 사업화의 모범이 될 것”이라고 밝혔다.

JNC머트리얼즈 이창근 대표는 “KERI의 혁신 기술과 긴밀한 협력 덕분에 그래핀 양산화라는 중요한 성과를 달성했다”며 “앞으로도 대한민국 이차전지 산업의 발전에 기여하겠다”고 말했다.