리튬이온전지 한계 돌파 ‘복합 음극재’ 상용화 기반 구축

리튬이온전지의 차세대 음극 소재 개발이 양산 단계로 진입하고 있다. 한국전기연구원(KERI)이 개발한 ‘실리콘/그래핀 복합 음극재’ 기술이 ㈜JNC머트리얼즈로 이전된 뒤 수천 톤급 그래핀 양산 설비가 구축되면서, 전기차·스마트폰 등 대규모 응용이 가능한 기반이 마련됐다.

실리콘은 흑연 대비 에너지 밀도가 10배 이상 높지만 충·방전 시 부피 팽창과 낮은 전도도가 문제였다. KERI 연구진은 전도성이 높고 안정성이 우수한 그래핀을 코팅층으로 활용해 이러한 단점을 완화했고, 실리콘 첨가 비율을 기존 5%에서 20%까지 늘려 전기차 주행거리를 20% 이상 연장할 수 있는 성능을 확보했다. 또한 값싼 마이크론급 실리콘을 활용해 가격 경쟁력도 높였다.


연구진은 수계 분산법을 통해 다양한 점도의 고품질 그래핀을 제조하고, One-step 공정으로 실리콘을 그래핀이 감싸는 코어-쉘 구조 복합 음극재를 생산하는 기술을 확보했다. 시작품 제작과 전기화학 평가, 국내외 특허 등록까지 완료했으며, 국제학술지 Energy & Environmental Materials에도 논문을 게재해 상용화 가능성을 입증했다.

기술이전 기업 JNC머트리얼즈는 충북 제천의 이차전지 특화단지에 입주해 대규모 그래핀 플랜트를 구축, 수천 톤 단위 생산 체계를 마련했다. 이를 통해 약 6만 대 전기차용 전지(4GWh 규모) 또는 수억 개 스마트폰 전지 생산이 가능할 것으로 전망된다. KERI와 기업 간 협력은 양산 최적화와 기술 고도화로 이어지고 있다.


KERI 정승열 나노융합연구센터장은 “이 기술은 고용량과 안정성을 동시에 확보한 나노소재 기반 상용화 성과로, 출연연 기술 사업화의 모범 사례”라고 설명했다. JNC머트리얼즈 이창근 대표도 “KERI와의 협력을 통해 그래핀 양산 기반을 구축했으며, 이차전지 산업 경쟁력 강화에 기여하겠다”고 밝혔다.

KERI는 앞으로도 산학연 협력을 확대해 차세대 음극재 연구와 상용화 기술 개발을 이어가겠다는 계획이다.