리튬이차전지 음극재! ‘흑연 대신 실리콘’ 연구개발

실리콘! 흑연보다 4배 이상 고효율에도 각종딜레마

 

‘계명대 산학협력단’ 기존 문제점 해결 11배나 향상

2025년 기준 세계는 92조5,000억원! 규모 성장전망

 

 

▲ 현재, 전 세계적으로 에너지를 저장했다가 필요시에 사용할 수 있는 다양한 분야의 이차리튬이차전지의 시장은 2025년 기준으로 92조 5,000억원 규모로 성장할 전망이다. photo source pubs.acs.org

 

● ‘리튬이차전지’ 음극제의 새로운 혁신

 

계명대 산학협력단(단장 김범준)은 리튬이차전지 음극재 관련 특허 8건을 탄소소재 및 에너지 전문기업인 ㈜투비링크(회장 장일환)에 이전하여 리튬이차전지 음극재 개발 상용화를 추진한다고 올해 8월 9일 발표한바 있다.

 

이에 앞서 이창섭 계명대 화학전공 교수의 논문은 지난 3월 21일자 ‘사이언티픽 리포트’(Scientific Reports, Nature 자매지)에서 3129회의 다운로드를 기록하여, 2021년 중 가장 조회수가 많은 100대 논문 중 30위에 선정된바 있다.

 

이 교수 연구팀은 기존 리튬이온배터리의 372mAh/g 낮은 이론용량의 흑연 음극재 대신 이론 충전용량이 4,100mAh/g인 실리콘을 도입하여 리튬이차전지의 충방전 용량을 획기적으로 개선하였으며, 또한 실리콘의 충방전 시 문제점으로 나타났던 부피팽창의 문제를 탄소나노섬유와 환원된 그래핀을 사용하여 근본적으로 해결했다.

 

논문의 교신저자인 이창섭 교수는 경북대 화학과에서 학사, 석사 학위를 마치고, 미국의 오레곤주립대에서 표면화학으로 박사학위를 받았다. 또한 이창섭 교수는 지금까지 표면화학, 전기화학, 센서화학 등의 분야에서 143편의 학술논문, 23권의 국내외 저서, 50건의 특허 실적과 15건의 특허기술을 기업체에 이전했다.

 

한편, 논문의 주저자인 총여엽(Cong Ruye) 박사과정생은 중국 산동성의 곡부사범대학교 화학과에서 학사, 계명대학교 화학과에서 석사를 마치고, 현재 계명대 표면화학연구실에서 박사과정을 이수 중이다. 총여엽 연구원은 지금까지 리튬이차전지 분야에서 SCI 학술논문 3편 및 특허 3건을 출원하는 등, 이 분야의 연구를 활발히 하고 있다.

 

● 흑연 음극제에서 이젠 실리콘으로

 

요즘 전기자동차를 모르는 사람이 없을 정도로 전기 자동차가 내연기관 자동차를 대체하게 되면서 이차전지 역시 관심이 급격히 증가하였다. 이제 이차전지의 기술 발전 방향은 전기자동차의 상품성을 좌우하는 중요한 핵심 부품으로 인식되고 있다.

 

▲ 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 배터리를 1차전지라고 하는데, 2차전지는 1차전지와 달리 방전 후에도 다시 충전해 반복 사용이 가능한 배터리를 말한다. photo source byjus.com

 

1차전지는 쉽게 말해 시계, 리모컨 등에 사용되는 배터리다. 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 배터리를 1차전지라고 하는데 건전지, 알칼리전지가 대표적인 1차전지라고 할 수 있다. 2차전지는 1차전지와 달리 방전 후에도 다시 충전해 반복 사용이 가능한 배터리를 말한다. 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지로 양극, 음극, 전해질, 분리막, 용기로 구성된다. 여기에서 양극재와 음극재 사이의 전해질을 통해 리튬 이온이 이동하는 전기적 흐름에 의해 전기가 발생한다.

 

현재, 전 세계적으로 에너지를 저장했다가 필요시에 사용할 수 있는 리튬이차전지의 시장은 2025년 기준으로 92조 5,000억원 규모로 성장할 전망이다. 이처럼, 전문가들은 전기차 시장이 급속도로 성장함에 따라 2차 전지의 핵심인 ‘음극재 시장’도 함께 큰 폭으로 성장할 것으로 전망하고 있다.

 

이차전지 역시 K-배터리라는 이름이 붙을 정도로 세계시장 점유율 44.1%의 압도적 1위를 차지하고 있다. 이러한 화려함의 이름 이면에는 이차전지의 소재 수입 의존도가 매우 높다는 사실을 아는 사람은 많지 않다.

 

이차전지의 핵심 중간소재인 양극재는 에너지를 생성하는 역할이라서 매우 중요하고 기술적 관심도도 높다. 국산화율도 53%로 비교적 높고 수입의존도도 47%인 반면, 다른 핵심 소재인 음극재는 양극재와 더불어 이차전지의 에너지 밀도에 직접적인 소재임에도 불구하고 상대적으로 수입의존도가 80%에 달하여 K-배터리라는 명성에 부합되지 않은 상황이다.

 

그리고 최근 전자 산업의 발전으로 인하여 다양한 휴대용 전자기기들이 사용되고 있다. 하지만 배터리 용량의 부족으로 인하여 휴대용 전자기기의 사용시간이 제한되는 문제점이 대두되어 고용량 배터리 개발 필요성이 한층 증대되었다.

 

▲ 기존 리튬이차전지의 음극재의 흑연은 충전용량이 상대적으로 낮아, 전기자동차와 같은 고에너지밀도가 요구되는 전원으로는 사용상에 한계가 있었다. photo source philkotse.com

 

리튬이차전지의 음극재는 양극(+)에서 나온 리튬이온을 저장, 방출함으로써 전기를 발생시키는 역할을 한다. IT/모바일 기기에 주로 장착되는 리튬이차전지의 음극재로는 지금까지 흑연(천연흑연, 인조흑연)이 주로 사용되어왔으나, 이 흑연은 이론 충전용량이 372mAh/g으로 상대적으로 낮아, 전기자동차와 같은 고에너지밀도가 요구되는 전원으로는 사용상에 한계가 있었다.

 

이에 흑연의 뒤를 이을 소재로 꼽히는 것이 바로 실리콘이다. 흑연은 탄소 6개당 리튬이온 1개를 저장하는 반면, 실리콘은 실리콘 원자 1개당 리튬이온 4.4개를 저장한다. 이처럼, 흑연 음극재에 비해 실리콘 음극재가 g당 용량이 4배 이상 높다.

 

특히 에너지 밀도를 획기적으로 향상시켜 전기차의 주행거리를 늘리는 것은 물론 배터리의 급속 충전도 매우 용이하다. 게다가 실리콘은 경제적이면서도 친환경적인 소재이기 때문에 더더욱 차세대 음극재로 주목받고 있다.

 

현재 배터리 제조업체들은 전기차 배터리의 충전 시간을 줄이는 경쟁을 벌이고 있다. 차세대 ‘실리콘 음극재’의 부상은 전기차 배터리 용량 및 충전 시간 개선에 유리한 것으로 평가되면서 이 소재를 확보하려는 경쟁이 불붙는 양상이다. 하지만 이러한 큰 용량에도 불구하고 기존 흑연에 비해 충·방전 과정에서 부피의 팽창 등 비효율은 상용화하는데 큰 걸림돌이 되었다.

 

관련 업계는 전반적으로 5% 내외 실리콘 음극재를 개발하고 있다. 이론상 흑연 계열 음극재는1g당 용량 한계가 370mAh내외. 이를 실리콘 계열 물질로 대체하면 1g당 용량을1500mAh까지 끌어올릴 수 있다.

 

▲ 리튬이차전지의 기존 음극재인 흑연은 평균 1g당 350mAh의 용량을 가지지만 이론상으로 실리콘은 4,000mAh로 무려 11배 이상의 효율을 가질 수 있다. photo source pubs.rsc.org

 

흑연은 평균 1g당 350mAh의 용량을 가지지만 이론상으로 실리콘은 4,000mAh로 무려 11배 이상의 효율을 가질 수 있다. 문제는 고용량임에도 불구하고 음극재에 적용했을 때 나타나는 부작용들이 심각하고 아직까지 기술적 해결 방안이 뚜렷하지 않았다는 점이다.

 

그동안에는 실리콘이 비전도성이고 충·방전 과정에서 부피가 팽창하고 수명이 짧아 상용화에 애로가 있었다. 실리콘 음극의 대량생산을 염두에 둔 연구도 부족했다.

 

이창섭 교수 연구팀은 흑연 대신 이론 충전용량이 4,100mAh/g인 실리콘을 도입하여 리튬이차전지의 충·방전 용량을 획기적으로 개선했으며, 또한 실리콘의 충·방전 시 문제점으로 나타났던 부피팽창의 문제를 획기적으로 해결한 것이다.

 

원본 기사 보기:모닝선데이