[더테크 이승수 기자] LG에너지솔루션과 연세대학교가 함께 차세대 배터리 시장의 핵심 기술로 평가받는 ‘실리콘 음극재’ 분야에서 핵심 기술 개발에 성공했다. LG에너지솔루션은 연세대 화공생명공학과 이상영·이용민 교수팀이 공동 연구를 통해 충·방전 중 부피가 팽창하는 실리콘 음극재의 기술적 난제를 해결할 수 있는 실마리를 찾으며 기술 완성에 한 걸음 다가서게 됐다고 10일 밝혔다. 이 연구 성과는 최근 전 세계 최고 권위의 과학 저널 중 하나인 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 ‘실리콘 음극 열화에 의한 리튬이차전지 분리막의 기계적 손상’이라는 제목으로 게재됐다. 실리콘은 현재 음극재 시장에서 대표적인 차세대 소재로 주목받고 있다. 현재 널리 쓰이는 음극재 소재인 흑연 대비, 에너지 밀도를 기존 대비 10배 이상 향상시켜 전기차의 주행거리를 늘리는 것은 물론 급속 충전 설계에도 유리하다. 또한 경제성, 친환경성이 높다는 것도 장점이다. 하지만 배터리 충·방전 중 부피 팽창이 이뤄져 실제 적용에는 어려움이 많았다. 부피 변화에 따라 셀 구조가 붕괴되거나 분리막에 악영향을 미쳐 배터리의 수명과 용량 확보에 어려움이 크다는 한계가 있었기 때문이다. 연세대-LG에너지솔루션
[더테크=전수연 기자] SNE리서치가 진행한 ‘2024 리튬이온전지 음극재 기술현황 및 시장전망’ 리포트에 따르면 리튬이차전지 음극재 시장은 2023년 160만 톤(10조원) 규모에서 2035년 390만 톤(25조원) 규모로 2.5배 이상 성장할 전망이다. 2028~2029년까지는 인조흑연을 중심으로 시장 확대가 두드러질 것으로 보이며 2030년 이후에는 현재 전체 음극재에서 차지하는 비중이 1~2% 정도인 Si음극재의 비중이 7~10%로 증가할 것으로 예상된다. 2029~2030년 이후가 되면 흑연 음극재에 대한 수요가 점차 줄어들면서 증가폭이 둔화되거나 포화될 전망이다. 인조흑연 시장은 천연흑연 음극재에 비해 배터리 충전속도를 높이고 수명을 늘리는 특성이 있어 전기차 시장 확대와 함께 지속 성장이 기대되며 중국업체가 저렴한 전기료, 인건비, 환경투자비를 통한 저가 공급으로 지속 강세를 보이고 있다. 음극재 출하량 업체 비율을 보면 중국 업체가 2021년 87.5%였으며 2023년에도 92.6%에 육박하고 있다. 음극재 출하량 순위 1~9위까지 모두 중국 제조업체들이며 그중에서도 BTR, Shanshan, Zichen의 비율이 전체의 45% 정도로 집중도가
[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
[더테크=조명의 기자] 성냥개비 성분을 이용한 저렴한 흑연 음극재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 흑연 음극재의 성능 향상으로 전기차, 항공, 고속 충전 전지 등 다양한 분야에 쓰일 것으로 기대를 모은다. 울산과학기술연구원(UNIST)은 에너지화학공학과 이현욱 교수팀이 기화-응결 방법을 이용해 적린과 카본이 코팅된 다공성 흑연 음극재인 흑연-인 복합체를 개발했다고 5일 밝혔다. 개발된 복합체는 적린과 카본 코팅층의 이점을 이용해 흑연 표면에 생성되는 전자와 리튬 이온의 전도도를 높인다. 향상된 전도도는 고속 충전 시 전극 표면에만 집중되던 리튬 이온을 확산시켜 충전을 균일하게 만든다. 배터리에 문제를 일으키는 수지상 형성을 억제해 배터리 안정성고 향상시켰다. 음극재 개발은 배터리 안정성에 있어 매우 중요하다. 흑연과 같은 음극은 충전할 때 생기는 리튬 농도 집중 현상으로 리튬의 이동이 제한된다. 이와 같은 충전의 불균일성은 상단부에 수지상 형성을 일으켜 배터리의 성능을 저하시킨다. 이에 연구팀은 전극의 충전 과정에서 리튬 이온의 농도를 균일하도록 유도하는데 초점을 맞춰 연구를 진행했다. 연구팀은 적린(붉은 색 인)의 낮은 끓는점(280℃)을 활용해, 인 성분
[더테크=조명의 기자] UNIST는 에너지화학공학과 이현욱 교수가 리튬 금속 음극 소재 표면에 형성되는 고체전해질 계면(SEI) 층의 나노구조와 성능 향상 원리에 대해 규명했다고 18일 밝혔다. 이번 연구는 고려대 화공생명공학과 곽상규 교수, 미국 라이스대학교 하오티안 왕 교수팀과 공동으로 진행했다. 리튬 금속 음극 소재는 상용화된 흑연 음극 소재 보다 용량이 약 10배 이상 높아 차세대 전지 음극 소재로 활발히 연구되고 있다. 하지만 소재의 불안정성과 함께 전지 구동 과정 중 소재 표면에 형성되는 SEI층의 구조와 구동 원리에 대한 이해 부족 등으로 상용화에 어려움을 겪고 있다. 연구팀은 리튬 금속 및 고체전해질 계면층 분석을 위해 극저온 투과전자현미경 분석법과 범밀도함수 이론 계산을 활용했다. 극저온 투과전자현미경 분석법은 2017년 노벨화학상을 받은 연구주제를 활용한 것으로 소재를 약 –175℃의 극저온 상태로 냉각시켜 나노 단위의 고도분석을 하는 기술이다. 분석 결과 이중 고체전해질 계면층은 무기 성분 리튬 금속 음극 표면에 고르게 분포하고 있어 빠른 속도로 리튬 이온의 전도가 가능한 것으로 나타났다. 즉, 국부적으로 리튬이 집중되는 현상을 방지하고
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