[더테크=조재호 기자] 국내 연구진이 미래 신소재인 탄소나노튜브 및 그래핀을 활용해 리튬이온전지의 효율을 개선하는 기술을 개발했다.

한국전기연구원(KERI)은 23일 나노융합연구센터의 한중탁 박사 연구팀이 리튬이온전지 음극재의 고용량·고안정성을 확보한 ‘실리콘-질소도핑 카본 복합 음극재’ 제조 기술을 개발했다고 밝혔다.

실리콘은 리튬이온전지의 음극 소재인 흑연보다 에너지 밀도가 10배 이상 높지만, 지속적인 충·방전에서 부피가 늘어난다는 단점이 있었다. 아울러 입자가 쉽게 부서져 전지의 성능을 저하하는 문제도 있어 단독으로 활용하기 어렵다.

KERI는 질소를 도핑한 단일벽 탄소나노튜브와 그래핀으로 실리콘의 한계를 극복한 기술을 제시했다. 질소는 리튬이온과 친화도가 높고 전기화학적으로 안정된 원소이다. 탄소나노튜브는 탄소가 육각형 모양으로 구성된 나노스케일의 전도성 소재이다.

다만 탄소나노튜브는 서로 뭉치려는 성질이 있어 이를 분산하는 기술이 필요했다. KERI 연구진은 밀가루를 반죽하는 방식과 비슷하게 탄소나노튜브를 분산하고 질소를 탄소 사이에 넣는 기술을 개발했다.

이렇게 개발된 질소도핑 단일벽 탄소나노튜브를 음극재에 적용하면 리튬이온의 이동 속도를 높여 충전 속도를 높이고 충·방전 사이클 안정성을 향상시키는 효과가 있다. 아울러 연구진은 음극재 외부를 그물망 구조의 그래핀으로 감싸 실리콘이 팽창하는 것을 억제해 안정성도 확보했다.

한중탁 박사는 “탄소나노소재 복합음극제는 실리콘의 단점을 극복하고 고용량으로 장시간 안정적으로 유지되는 장점을 지녔다”며 “전지 전극의 전도성과 성능을 높이기 위해 기존 첨가되던 카본블랙과 같은 도전재를 넣지 않아도 될 수준”이라고 전했다.

연구팀은 이번 기술이 리튬 확산속도가 중요한 ‘전고체전지’ 음극에도 활용될 것으로 보고 있다. 아울러 연구 결과의 우수성을 인정받아 재료공학 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’에 게재됐다.

한편, KERI는 복합음극재가 적용된 리튬이온전지 풀셀 (Full-cell)에 대한 평가를 마무리하고 특허출원까지 완료했다. 이를 기반으로 수요 기업을 발굴해 기술이전을 추진한다는 계획이다.