한국전기연구원-JNC머트리얼즈 기술이전 성과
대규모 그래핀 양산 설비 구축 및 최적화 완료
정부출연연구소 기술 사업화 성공적 모범 사례
한국전기연구원(KERI·원장 김남균)의 역대 대표성과 중 하나로 손꼽히는 리튬이온전지용 실리콘·그래핀 복합 음극재가 기술이전을 넘어 양산화를 눈앞에 두고 있다.
해당 기술은 리튬이온전지의 차세대 음극 소재로 주목받는 실리콘의 단점을 그래핀으로 보완한 것으로 지난 2021년 11억원의 기술료로 전기·전자 소재·부품 전문기업인 JNC머트리얼즈에 기술이전까지 된 대형 성과다.
실리콘은 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고 충·방전 속도도 빠르다는 장점이 있지만 충·방전 시 부피가 약 3배 팽창하는 문제와 전기 전도도가 낮다는 단점이 있었다.
KERI는 2차원 탄소나노소재인 그래핀을 활용했다. 전도성이 높고 전기·화학적으로 안정한 그래핀은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조 코팅층을 형성해 실리콘 부피 팽창에 따른 성능 감소를 완화시킬 수 있다.
여기에 특화된 산화·환원법을 통해 높은 전도성을 갖는 고품질 그래핀을 묽은 잉크부터 고농도 페이스트 형태까지 다양한 점도로 만들어 리튬이온전지 음극 제조 공정에 바로 적용할 수 있는 '수(水)계 분산 기술'을 개발했다. 이를 기반으로 한 원스텝 공정으로 실리콘을 그래핀이 껍데기처럼 감싸 보호하는 코어-셸(Core-Shell) 구조 복합 음극재를 대량 생산하는 데도 성공했다.
이를 통해 기존 리튬이차전지 음극에 들어가는 실리콘 양을 기존 5% 이내 수준에서 20%까지 4배 이상 증가시켜 고용량·고품질 음극을 안정적으로 제조하는 결과를 얻었다. 이를 전기차에 적용하면 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있는 수준의 성능이다. 재료도 기존 고가 나노 실리콘 대비 값싼 마이크로 크기 실리콘을 활용해 가격 경쟁력을 확보했다.
기술을 이전받은 JNC머트리얼즈도 적극적인 투자와 협력사 협업을 통해 그래핀 양산화를 위한 기반을 마련했다. 충북 제천 국가첨단전략산업 이차전지 특화단지에 입주해 최적의 생산 환경을 구축하고 KERI 원천기술을 스케일업해 나갔다. 지난해 국내 최초로 대규모 그래핀 양산 설비를 구축해 최적화하는 데 성공했다.
해당 설비는 수천톤급 고품질 그래핀을 대량 생산할 수 있는 규모다. 추후 실리콘과의 복합화를 통해 전기차 약 6만대, 스마트폰 수억대에 적용할 수 있는 4GWh 규모 용량의 고성능 음극재 생산이 기대된다.
정승열 KERI 나노융합연구센터장은 “원천기술 개발부터 상용화까지 잘 이어진 사례로 출연연 기술 사업화의 성공적인 모범 사례로 손꼽힐 것”이라고 강조했다.
이창근 JNC머트리얼즈 대표는 “KERI의 혁신적인 원천기술과 긴밀한 상호 협력을 바탕으로 그래핀 양산화라는 중요한 성과를 달성할 수 있었다”며 “앞으로도 꾸준한 협업을 통해 대한민국 이차전지 산업의 발전과 기술 경쟁력 강화에 기여할 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.
창원=노동균 기자 defrost@etnews.com
