[파이낸셜뉴스] 한국생산기술연구원 제주본부 청정웰빙연구그룹 김찬훈 박사팀이 차세대 이차전지로 떠오르고 있는 수계아연이차전지를 만들었다. 김찬훈 박사팀이 만든 수계아연이차전지는 물을 전해질로 사용해 화재 위험성이 없으며, 전지 속 음극을 코팅해 수명이 길어졌다. 김찬훈 박사는 19일 "이번 연구로 수계아연전지의 기술적 난제를 해결하고 상용화 가능성까지 높였다"고 말했다. 연구진은 보호막을 코팅한 음극으로 수계아연이차전지를 만들어 실험했다. 그결과 약 3000회에 달하는 가혹한 충방전 반복실험에서도 용량유지율이 93%에 달했다. 또한 충전전력이 자연적으로 소모되는 비율인 '자기 방전율' 역시 코팅되지 않은 음극 대비 2배 이상 억제되는 효과도 있었다. 뿐만아니라, 176㎠ 크기의 아연음극을 간단한 공정만으로 보호막을 코팅할 수 있어 양산 가능성도 입증했다. 기존 연구들은 손톱 크기의 코인셀(Coin-cell)을 대상으로 한 실험실 수준에 머물렀었다. 최근 정부의 그린뉴딜 정책 추진으로 태양광, 풍력과 같은 재생에너지 발전설비가 매년 10% 이상 급증하면서 탄소중립 사회로 빠르게 나아가고 있다. 그런데 재생에너지는 기후 상황에 따라 전력발생량이 수시로 변동되므로, 안정적인 전력 공급을 위해서는 그 출력을 제어하고 잉여전력을 저장해주는 '에너지저장장치(ESS)'가 필수적이다. 현재 국내에 설치된 ESS에서는 대부분 리튬이온전지를 쓰고 있는데, 최근 4년간 ESS 화재사고가 수십 건 가량 끊임없이 발생해 이차전지에 대한 안전성 논란이 불거진 상황이다. 반면, '수계아연이차전지'는 물 기반 전해질을 사용하기 때문에 발화 위험이 없고 안정성도 높아 리튬이온전지의 대안으로 주목받고 있다. 또한 고온 열처리 없이 양극재의 합성이 가능하며, 드라이룸(Dry room)이 아닌 일반 대기 중에서 전지를 조립할 수 있어 공정상의 이점도 크다. 하지만 아연 금속을 음극으로 사용하기 때문에 물 기반 전해질 속에서 부식이 일어나게 되고, 특히 아연 이온이 음극 표면에 나뭇가지 형태의 결정체로 뾰족하게 쌓이기 쉽다는 문제점이 있었다. '덴드라이트(Dendrite)'라고 불리는 이 결정체는 충방전 반응에 거의 참여하지 않고 계속 성장한다. 분리막을 뚫고 양극에 맞닿게 될 경우 결국 단락을 일으켜 전지 수명을 급격히 저하시키고 화재를 유발한다. 연구진은 아연 음극 표면의 화학적 성질에 따라 덴드라이트 형성이 억제되고 그 형태도 달라지는 것을 전자현미경을 통해 세계 최초로 관찰해냈다. 즉, 아연 음극 표면이 물 분자와 쉽게 결합하는 '친수성' 상태일수록 배터리 충전 시 아연 이온이 음극 표면에 더욱 균일하게 흡착돼 덴드라이트 형성이 억제된다는 사실을 밝혀낸 것이다. 반대로 '소수성' 상태의 음극 표면인 경우, 그 성질이 비교적 덜한 곳으로 아연 이온 분포가 집중돼 공 형태를 띤 수십 마이크로미터(㎛) 크기의 덴드라이트가 군데군데 생성되는 것도 포착했다. 연구진은 간편한 '딥 코팅' 공정으로 500㎚(나노미터) 두께의 얇은 친수성 보호막을 음극 표면에 고르게 만들어 덴드라이트 형성과 부식 반응이 일어나지 않게 하는데 성공했다. '딥 코팅' 공정이란 음극 재료를 코팅 용액에 담가 층을 만든 후 가열해 보호막을 형성하는 방법으로, 연속 공정에 유리하다는 장점이 있다. 김찬훈 박사는 "제주도는 재생에너지 과잉발전으로 인한 출력제어 문제가 국내에서 제일 먼저 발생해 화재 위험 없는 차세대 ESS 도입이 가장 시급한 곳"이라며, "제주형 ESS 조기 개발에 큰 도움이 될 것"이라고 말했다. 향후 연구진은 이번 기초 연구성과를 더욱 발전시켜 수계아연전지 상용화에 추가적으로 요구되는 에너지밀도 향상 및 운용온도 범위 확장 기술개발에 주력한다는 계획이다. 한편, 이번 연구성과는 에너지 분야의 국제학술지 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)' 온라인 판에 지난 10일 발표했다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국전자통신연구원(ETRI)은 스마트소재연구실 김주영 박사팀이 이차전지를 새롭게 설계해 에너지밀도를 20% 높였다고 12일 밝혔다. 집전체를 없애고 분리막 위에 전극을 직접 감싸 만들었다. 이를 통해 같은 무게의 이차전지를 만들더라도 더 많은 전기를 저장할 수 있게 됐다. 연구진은 이번 연구개발의 결과를 보다 확장해 에너지밀도가 더욱 개선된 이차전지를 구현할 계획이다. 아울러 고에너지밀도와 고출력이 동시에 가능한 전극 설계 등 연구를 지속 수행할 예정이다. 김주영 박사는 "이차전지의 에너지밀도 개선에 활용될 수 있는 일종의 전지 플랫폼을 개발하고자 노력한 결과물"이라고 말했다. 이차전지의 에너지 밀도는 전지가 적용된 기기의 사용 시간과 설치 공간 등에 큰 영향을 미쳐, 이차전지의 성능을 평가하는 중요한 지표 중 하나다. 연구진은 이차전지의 소재 의존성을 줄이는 동시에 에너지밀도를 개선하기 위해 집전체에 집중했다. 집전체는 이차전지가 충·방전될 때 음극과 양극에서 전기적 반응이 일어날 수 있도록 돕는 역할을 한다. 그러나 집전체의 높은 밀도는 전지의 무게를 증가시키는 원인이 되기도 한다. 연구진은 집전체 없이 분리막 위에 전극을 직접 얇게 펴서 부착했다. 또, 친환경적이고 가격경쟁력이 우수한 수계 공정을 적용해 설계했다. 특히 물에 잘 젖지 않는 종이 같은 분리막 위에 전지를 만드는 물질을 골고루 붙이기 위해, 풀 같은 역할을 하는 폴리비닐알코올(PVA)라는 물질을 사용했다. 연구진은 이 설계방식으로 새로운 전극을 여러층으로 쌓아 이차전지를 만들었다. 테스트 결과, 기존 이차전지 대비 에너지밀도가 약 20% 향상됐다. 또 분리막의 안전성을 개선하고 전극의 재활용 가능성을 높이며, 전극 내 전기화학 반응 분석을 쉽게 할 수 있었다. 한편, 김주영 박사는 고려대 김용주 교수팀, 연세대 이용민 교수팀과 함께 새로 개발한 이차전지를 에너지 소재 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머트리얼'에 발표했다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국에너지기술연구원 우중제 박사팀과 울산과학기술원(UNIST) 조재필 교수팀이 화재 위험성을 안고 있는 휘발성 액체 대신 물을 전해질로 사용하는 이차전지의 내구성을 향상시키는 음극 제조기술을 개발했다. 이 기술로 만든 이차전지 '아연 이온 배터리'는 기존 것보다 수명이 10배 이상 향상됐다. 28일 에너지기술연구원에 따르면, 연구진은 아연이 음극에 달라붙어 쌓이는 현상을 제어해 한번 충전으로 음극 1㎤ 당 세계 최고 수준인 4225㎃h의 저장 용량을 달성했다. 또한 배터리를 3000회 이상 충·방전해도 초기 성능을 유지했다. 뿐만아니라 64㎠의 대면적 전극을 만들어 사용해도 그 성능을 그대로 유지했다. 우중제 박사는 "이는 아연 이온 배터리의 난제인 덴드라이트 형성을 산화구리와 같은 저가의 물질과 공정으로 해결할 수 있다는 단초를 제공한 것"이라고 말했다. 아연 이온 배터리는 안전하고 오래 사용할 수 있어 매력적이다. 하지만 문제는 아연이 배터리 안에서 잘못된 모양으로 자라나는 '덴드라이트' 현상 때문에 수명이 짧아진다. 연구진은 배터리 음극에 산화구리를 활용해 아연의 균일한 증착을 유도하고 덴드라이트 형성을 제어하는 데 성공했다. 산화구리는 일반 구리와 마찬가지로 아연의 초기 성장을 촉진하고 유도 증착시키는 역할을 수행한다. 또, 아연을 균일한 분포로 증착시키는 데 최적화된 전도성을 갖고 있어 일반 구리에 비해 효율적인 증착이 가능하다. 산화구리는 아연을 균일 분포한 후 비계(스케폴드)로 자체 변환된다. 이 스캐폴드는 아연이 어디에 자랄지 가르쳐주는 역할을 한다. 처음에는 아연이 잘 붙을 수 있게 도와주다가 아연이 많이 자라면 스캐폴드가 스스로 변해서 아연이 다른 곳으로 자라게 한다. 이렇게 하면 아연이 잘못된 모양으로 자라지 않아서 배터리를 더 오래 쓸 수 있게 되는 것이다. 우 박사는 "향후 개발된 전극을 규격화하고 시스템화하는 후속 연구를 통해 수계전지 상용화를 앞당기는 데 기여하겠다"고 밝혔다. 한편, 연구진은 새로운 음극제조 기술을 개발해 에너지·재료 분야 저명 학술지 '어드밴스트 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 발표했으며, 8월호 표지논문으로 선정됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 부산 지·산·학 컨소시엄이 올해 정부의 연구개발(R&D) 공모사업 중 이차전지 분야 2개 과제에 선정되며 지역 미래먹거리로 꼽히는 이차전지 산업의 기술 발전이 기대된다. 부산테크노파크(TP)는 올해 과학기술정보통신부(과기부)와 연구개발특구진흥재단의 ‘연구개발특구 육성’ 공모에서 이달 초 이차전지 분야 2개 과제가 선정됐다고 9일 밝혔다. 부산TP에 따르면 이번 공모를 앞두고 TP를 비롯한 부산권 이차전지 지-산학 복합 컨소시엄을 결성, 관련 연구개발에 돌입한다. 이차전지는 한 번 사용 후에도 충전을 통해 재사용이 가능한 것으로 전기차 등에 활용된다. 선정된 이차전지 첫 연구과제는 ‘수계 99.99% 분산 가능한 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT) 슬리러와 실리콘을 포함한 융합 소재개발’이다. 선재하이테크가 주관사로 참여하며 부경대 및 부산TP와 컨소시엄을 꾸렸다. 이와 함께 ‘리튬인산철(LFP) 셀 역설계와 열화 상태 진단·재제조 기술 적용한 10㎾급 에너지저장장치(ESS)용 배터리 팩 상용화’ 연구과제가 선정됐다. 주관사로 한국엘에프피가 나서며 부산대 및 부산TP와 컨소시엄을 꾸려 공동연구를 수행한다. 각 컨소시엄은 향후 2년간 SWCNT 소재를 적용한 음극재와 LFP 셀 열화상태 진단·재제조 기술을 적용한 ESS용 배터리 팩 개발을 마쳐 상용화에 나선다는 계획이다. 특히 이번 공모에 선정된 컨소시엄은 지난해 7월 출범한 ‘부산권 이차전지 지산학 복합체’ 소속 기업과 대학들로 꾸준히 협력을 이어온 것으로 전해졌다. 부산TP 강효경 클린테크기술단장은 “이번 과기부 공모사업 선정은 지역의 여러 산·학·연 전문가들과 협력의 결과로 이어진 것이다. 이차전지 기술 발전을 위해 다각적인 노력이 이뤄질 것으로 기대한다”며 “이를 계기로 지역 이차전지 산업 생태계 조성과 관련 기업 경쟁력 향상도 기대된다. 여러 협력기관과 최선을 다하겠다”고 말했다. lich0929@fnnews.com 변옥환 기자

[파이낸셜뉴스] 정부가 기존 과학기술로만으로는 해결할 수 없는 복합문제에 대해 해법을 제시할 미래 유망 융합기술 연구개발(R&D)에 882억원을 투입한다. 특히 장내 미생물을 활용해 난치성 질환 치료제를 개발하고 이산화탄소와 수소를 땅 밑에 저장하는 기술을 개발하는 등 새로운 110개 R&D 과제에 359억원을 투입해 진행한다. 과학기술정보통신부는 올해 스팀(STEAM) 연구사업 선정계획을 20일 공고한다고 19일 밝혔다. 스팀 연구 사업은 융합연구 분야 과기정통부 대표 사업으로, 우리 나라가 개척해야 할 미래를 위해 도전해야 할 범학제형 협력연구를 지원해왔다. 과기정통부 황판식 기초원천연구정책관은 "그간 과학기술 발전에도 기후변화, 감염병, 생물다양성 손실, 저출생 등 글로벌 및 국가적 해결 과제는 증가하는 추세로, 도전적이고 창의적인 융합연구의 역할과 중요성이 갈수록 부각되고 있다"고 설명했다. 올해는 전년 예산 773억원에서 14.1%인 109억원 증액됐으며, 이 중 183억원을 상반기 68개 신규 과제에 투입할 예정이다. #OBJECT0# 과기정통부 관계자는 "특히 차별화된 미래기술 선점을 위해 지난해 12월 수립한 '제4차 융합연구개발 활성화 기본계획'에 포함된 12대 미래개척기술 로드맵을 바탕으로 탄소중립, 바이오, 이차전지, 로봇 등 융합기술 주제에 중점적으로 투자한다"고 말했다. 주요 융합연구개발사업을 살펴보면 '미래유망 융합기술 파이오니어' 기초단계에 6년간 6개 과제에 연간 4억원에서 최대 12억원을 지원한다. 주요 주제로는 탄소중립연료를 위한 이산화탄소 삼중점 상태 구현, 인공지능·빅데이터의 수학적 원리 규명·해석, 분자·세포 등 유기체로 구성된 바이오 컴퓨팅 연구접근법 개발 및 난제 해결 등이다. 또 원천단계에는 5년간 28개 과제에 연간 6억원에서 12억원까지 투입할 예정이다. 이 전략형 과제에는 수중·공중·우주 등 환경 제약 없는 통신기술개발, 화생방 재난 탐지·경보·오염제거 기술개발, 아밀로이드 단백질 진단을 위한 생체신호 분석법 개발, 수계전지 전압 출력 제고 및 태양전지 연계시스템 개발, 우주 건축용 소재 및 건축 기술개발 등이 진행된다. 이와함께 응용·개발단계인 '브릿지 융합 R&D'는 총 4개 과제를 4년간 각각 7~9억원을 지원키로 했다. 주요 주제를 살펴보면 장내미생물을 활용한 난치성 질환 치료제 개발과 실감형 콘텐츠 생성을 위한 멀티모달 기술개발 등이 있다. 과학기술과 인문사회를 융합해 5년간 연 6억원을 투입해 고립감·사회적 편견 등 정서적 고통을 받고 있는 난임여성 및 임산부의 건강관리를 위한 기술개발이 이뤄질 계획이다. 뿐만아니라 국제 공동연구를 통한 글로벌 융합연구 28개 과제에 각각 3개월간 5000만원을 지원한 뒤 12개 과제를 최종 선정해 5년간 연 12억원을 투입키로 했다. 주요 주제로는 고위험 환경에서 작업 가능한 인간형 로봇을 개발하고, 인간과 무인이동체간 무결점 정보를 공유할 수 있는 기술을 개발할 예정이다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터 오시형 박사팀이 에너지저장장치(ESS)로 활용할 수 있는 값싸고 안전한 수계이차전지를 개발했다. 특히 이 수계이차전지는 수소 가스 발생으로 인한 전지의 내부 압력 상승과 전해질 고갈 현상에 스스로 대처할 수 있게 만들었다. 오시형 박사는 19일 "이는 물을 이용하는 수계이차전지 충·방전 과정에서 발생할 수밖에 없는 수소를 통제할 수 있음을 밝힘으로써 향후 ESS와 같은 중대형 이차전지에 수계이차전지가 사용될 수 있다는 가능성을 보여준 것"이라고 말했다. 또한 "원료물질이 고가이면서 폭발 가능성이 높은 유기용매 전해질을 사용하는 리튬이온전지를 대체한다면 중대형 이차전지의 보급이 대규모로 확대될 수 있다"고 설명했다. 연구진에 따르면, 이 수계이차전지는 전해질을 리튬염 대신 물을 사용해 리튬이차전지보다 에너지밀도는 낮지만, 원재료 가격이 10분의 1 수준으로 경제성 측면에서 큰 이점이 있다. 우선 연구진은 이산화망간-팔라듐 복합촉매를 전지 안에 넣어 성능과 안전성을 모두 확보한 수계이차전지를 만들었다. 즉 이 복합촉매를 통해 전지 내부에서 발생하는 수소 가스를 전해질인 물로 전환하는 자기조절 기능이 작동하게 만든 것이다. 이산화망간은 일반적인 상황에서 수소 가스와 반응하지 않지만, 소량의 팔라듐이 함께 존재하면 스스로 수소를 흡수해 물로 전환된다. 테스트 결과 새롭게 개발한 촉매를 적용한 수계이차전지는 셀 내부의 압력이 0.1 기압 수준으로 유지됐으며 전해질 고갈 현상도 발생하지 않았다. 한편, 연구진은 수계이차전지를 개발해 국제 학술지 '에너지 스토리지 머터리얼즈(Energy Storage Materials)'에 발표했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국생산기술연구원 청정웰빙연구그룹 김찬훈 박사팀과 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 이용민 교수팀이 발화 위험성이 없는 수계아연이온전지의 후막 양극기술을 개발해 전기충전 용량 저하문제를 해결했다고 25일 밝혔다. 이 기술개발로 수계아연이온전지 두께는 30% 이상 얇게 만들 수 있게 됐다. 또한 전지 저장용량을 20% 이상 늘렸다. 김찬훈 박사는 "수계아연이온전지 상용화에 필수적인 후막 양극 제작의 새로운 방향성을 제시한 연구 결과"라며 "에너지 밀도를 더욱 높이는 기술 개발에 주력해 에너지저장시스템(ESS)용 수계아연이온전지 조기 상용화에 주력할 계획"이라고 말했다. 수계아연이온전지는 물 기반의 전해질을 이용해 발화 위험이 없고 안정성이 높아 리튬이온전지의 대안으로 주목받고 있다. 하지만 후막 양극을 만들때 용량이 크게 떨어져 상용화의 어려움을 겪어 왔다. 후막 양극은 전자들의 이동 통로 역할을 하는 집전체 위에 전기 에너지를 만들어내는 활물질이 두껍게 코팅된 전극으로, 이차전지의 에너지 밀도 향상에 필수다. 30㎛(마이크로미터) 두께의 양극 4장을 120㎛ 두께의 후막 양극 1장으로 교체할 경우 전지의 두께는 30% 이상 얇아지고 에너지 밀도는 높아진다. 연구진은 상용화된 리튬이온전지의 양극용 바인더 '폴리비닐리덴 플로라이드(PVdF)' 대신 친수성이 있는 '설포네이트 PVdF'를 개발해 용량 저하 문제를 해결했다. 제1 저자로 참여한 생기원 청정웰빙연구그룹 이정은 학연협동과정생은 "상용화된 PVdF 바인더를 간단한 개질만으로 친수성을 높여 후막 양극에 적합한 바인더를 개발할 수 있었다"고 말했다. 이 S-PVdF는 기존 PVdF에 비해 수계전해질의 이온전도도가 10배 가량 높았다. 이온전도도가 높을수록 전지의 출력이 올라간다. 연구진이 개발한 S-PVdF 바인더를 활용해 양극 활물질 기준 6㎎/㎠의 후막 전극을 제작하고, DGIST 이용민 교수팀이 물리화학적 특성을 분석한 결과, 기존 PVdF 바인더를 사용했을때보다 초기 가역 용량이 20% 이상 증가했다. 또한 3000번 이상 충전과 방전을 거듭하는 동안에도 PVdF를 사용한 양극과 비교해 지속적으로 높은 가역 용량을 나타냈다. 이와함께 양극 용출을 효과적으로 억제해 고온에서도 2배 이상 높은 용량 유지율을 보였다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스]  하이투자증권은 6일 나노신소재에 대해 2023년부터 탄소나노튜브(CNT) 도전재 수요 증가가 본격화되겠다며 투자의견 '매수'를 유지하고 목표주가를 기존 9만원에서 9만4000원으로 4.4% 상향했다. 정원석 하이투자증권 연구원은 이날 나노신소재의 내년 예상 매출액과 영업이익을 각각 올해 대비 47%, 103% 증가한 930억원, 122억원으로 추정했다. 그는 "내년 삼성디스플레이의 퀀텀닷-유기발광다이오드(QD-OLED) 패널 출하량 계획은 약 100만대 수준인데 이로 인해 발생하는 회사의 중공실리카 연간 매출은 약 200억원 수준이겠다"며 "국내 타 패널 업체로도 공급이 추진되고 있어 중장기 실적 성장의 또 다른 축이 될 것"이라고 설명했다. 2023년부터 나노신소재의 CNT 도전재 수요가 급증하겠단 전망도 나왔다. 주요 배터리 업체들이 충전 시간 단축 및 에너지 밀도 개선을 위해 차세대 전기차용 배터리에 실리콘 음극재 적용을 본격화할 것이기 때문이다. 정 연구원은 "음극에 실리콘 음극재를 적용할 때 CNT 도전재를 함께 사용하면 전기전도성을 높여 전극 수명 및 에너지 특성을 향상시켜주고 CNT가 완충작용을 해 실리콘 입자의 부피 팽창을 잡아준다"며 "기술적으로 난이도가 높아 수계 기반 음극재용 CNT를 생산할 수 있는 업체는 나노신소재가 유일해 실리콘 음극재 시장 개화 초기 회사의 수혜가 상당히 크겠다"고 말했다. 그는 2024년 예상 주당순이익(EPS)에 국내 이차전지 소재 업종 평균 주가수익비율(PER) 30배를 적용해 목표주가를 기존 대비 4.4% 높였다. 정 연구원은 "현 주가는 2024년 예상 실적 기준 PER 20배 수준으로 동종 업종 내에서 밸류에이션(실적 대비 주가 수준) 매력도가 가장 높다"고 덧붙였다.   jo@fnnews.com 조윤진 기자

[파이낸셜뉴스] 한국전기연구원은 고용량의 리튬이온전지용 실리콘·그래핀 복합 음극재 대량 제조기술을 11억원에 ㈜HNS로 기술이전했다고 30일 밝혔다. 전기연구원 연구진은 이번 기술이전을 통한 상용화로 월간 톤(t) 단위 이상의 실리콘·그래핀 복합체 분말을 제조할 수 있을 것으로 보고 있다. 에너지 밀도로 환산하면 스마트폰용 배터리 약 3만6000대 분량 및 600㎿h 용량의 전기차용 배터리를 생산할 수 있는 규모다. 이건웅 박사는 "실리콘·그래핀 복합 음극재 기술은 친환경 전기차, 에너지저장시스템(ESS), 방위산업, 우주·항공 등 다양한 분야에서 활용되는 고용량 리튬이온전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있을 것"이라고 말했다. 또한 "특히 전기차에 적용할 경우 배터리의 성능을 높여 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 기대한다"라고 밝혔다. 시장조사 기업 SNE 리서치에 따르면 전 세계 리튬이차전지용 음극 활물질 수요량은 2025년까지 136만톤으로 연평균 39% 성장할 전망이다. 그중 실리콘 음극재는 11%를 점유해 연평균 70% 이상 급격히 성장할 것으로 보고 있다. 또한, 리튬이차전지 음극재 세계시장 규모는 연평균 30%의 성장률을 기록하며 2023년에는 5400만 달러까지 성장할 것으로 예상된다. 향후 전기연구원은 리튬이차전지용 음극재 분야에서의 기술우위 확보를 위해 세계최고 수준의 고품질 실리콘·그래핀 복합 음극재 소재 연구 역량을 확보하고, 개발 소재에 대한 생산 공정화 및 양산화 기술을 확보해 사업화 및 상용화까지 지원한다는 계획이다. 이 기술은 전기연구원 전기재료연구본부 소속의 나노융합연구센터 이건웅·정승열 박사팀과 차세대전지연구센터 김익준·양선혜 박사팀이 공동으로 개발했다. 리튬이온전지의 음극 소재인 실리콘 단점을 보완하면서, 저렴한 가격으로 국내 중소·중견 업체들도 쉽게 접근 가능한 복합 음극재 제조기술이다. 전기연구원 연구진이 주목한 소재는 '그래핀'이었다. 그래핀은 2차원 탄소나노소재로서 전도성이 매우 우수하고, 전기 화학적으로도 안정해 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 또한 그래핀 코팅층은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조이기 때문에 실리콘의 부피 팽창에 따른 성능 감소를 억제 할 수 있다. 이 원리를 기반으로 연구진은 실리콘과 그래핀의 복합화를 통해 이상적인 리튬이온전지용 고용량 음극재 제조기술을 개발했다. 10년 이상 그래핀 연구에 매진해 온 연구진은 높은 결정성과 전기 전도성을 가지는 '산화·환원 그래핀'을 제조할 수 있는 기술을 개발했다. 또한 이를 효과적으로 분산해 다른 물질과 쉽게 결합할 수 있는 고농도 페이스트 형태의 '그래핀 수계 분산 기술'까지 개발했다. 한 단계 더 나아가 기존 리튬이차전지용 활물질 제조공정과 접목시켜 상용화까지 이어질 수 있는 대량제조 공정기술도 확보했다. 이를 통해 기존 리튬이차전지 음극에 들어갔던 실리콘의 양을 기존 5% 이내 수준에서 20%까지 증가시켜 고용량·고품질의 음극을 안정적으로 제조할 수 있는 결과를 얻었다. 무엇보다 이번 기술의 최대 강점은 중소·중견 기업들도 쉽게 접근할 수 있을 정도의 뛰어난 가격경쟁력이다. 기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론(μm) 크기의 실리콘을 활용했다. 여기에 오랜 연구 노하우가 집적된 전기연구원만의 고결정성 그래핀 분산기술을 적용해 코어-쉘 구조(코어인 실리콘을 그래핀이 껍데기처럼 감싸는 구조)의 복합 음극재를 대량으로 제조할 수 있는 기술 개발에 성공했다. 이후 연구진은 실리콘·그래핀 복합 음극재를 기반으로 한 시작품인 '파우치형 풀 셀'을 제작하고, 전기화학적 특성 검사까지 마무리했으며, 기술에 대한 국내·외 원천특허 등록까지 완료했다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

국내 연구진이 이온이 이동하는 전해질을 물로 사용해 화재 위험성이 없는 이차전지를 개발했다. 이 전지는 리튬이온전지의 30배에 달하는 높은 충·방전 전류밀도 100㎃/㎠에서 5000 사이클 이상 작동해도 성능이 유지됐다고 연구진은 설명했다. 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 모든 레독스 흐름 전지 가운데 가장 수명이 긴 수계 아연·브롬 레독스 흐름 전지를 개발했다고 5일 밝혔다. 김희탁 교수는 "차세대 수계 전지의 수명 한계를 극복하기 위한 새로운 기술을 제시한 게 이번 연구의 성과"라고 말했다. 레독스 흐름 전지는 양극 및 음극 전해액 내에 활물질을 녹여서 외부 탱크에 저장한 후 펌프를 이용해 전극에 공급하면 전극 표면에서 전해액 내의 활성 물질의 산화·환원 반응을 이용해 에너지를 저장하는 전지다. 연구진은 충방전때 음극에 아연이 쌓여 부풀어 오르는 문제를 해결해 수명을 늘리는데 성공했다. 연구진은 또 고밀도의 결함 구조를 지닌 탄소 전극을 아연-브롬 레독스 흐름 전지에 적용했다. 그결과 전류밀도 100㎃/㎠에서 5000번 이상 충·방전해도 97% 이상의 성능을 유지했다. 김희탁 교수는 "기존 리튬이온전지보다 저렴할 뿐만 아니라 에너지 효율 80% 이상에서 5000 사이클 이상 구동이 가능하다는 점에서 신재생에너지의 확대 및 ESS 시장 활성화에 기여할 것"이라고 말했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자