▲ 그라튜브가 개발한 그래핀 코팅 나노 실리콘(Si-G)

실리콘 함량 90%(건식음극판)까지 확대 가능, 리튬메탈 대체 슈퍼 실리콘 음극판 적용

탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀 분산·코팅 솔루션 전문기업 ㈜그라튜브(CTO 김상옥)가 전기차용 차세대 이차전지(배터리) 음극재 소재로 각광받고 있는 그래핀 코팅 나노 실리콘(Si-G) 소재와 장비 기술개발에 성공해 이차전지 성능 향상에 기여할 전망이다.

그라튜브는 지난 2024년 11월 특허청으로부터 ‘실리콘-그래핀 나노입자 및 이를 포함하는 리튬이차전지 음극재 조성물’과 ‘나노입자 제조장치’에 대한 특허결정서를 취득했다고 밝혔다.

이차전지 음극재는 양극에서 나온 리튬이온을 환원, 산화 반응을 통해 저장하거나 방출하는 역할을 하며 전기차 배터리의 충전 속도와 수명에 영향을 미친다. 현재 음극재 소재로는 전기 전도성이 뛰어나고 내구성이 높은 인조흑연이 널리 사용되고 있는데 전기차용으로 고성능 배터리가 요구되면서 대폭적인 용량 증가가 불가능한 흑연을 대신해 흑연보다 10배 이상 큰 용량의 충방전이 가능한 나노화된 실리콘(Si)을 첨가하는 것이 기술 트랜드로 자리매김하고 있다.

그러나 실리콘은 리튬 저장시 부피가 400~500%로 팽창하는 등 체적변화가 크게 일어나며 이에 따라 활물질의 파쇄, 미분화, 음극막의 박리 등을 유발시켜 배터리 수명을 단축시킨다. 현재 흑연에 실리콘 소재를 약 5~15% 섞고 있는데 팽창 부작용을 개선시킬 수 있는 기술개발이 시급한 상황이다.

이와 같은 실리콘 팽창을 방지하는 주요 기술로는 △실리콘을 나노화시켜 주변을 실리콘 산화물로 감싸는 기술(SiOx) △실리콘을 탄소계 물질로 코팅하는 기술(코팅형 Si-C) △다공성 탄소 내부에 나노 실리콘을 채우는 실리콘-탄소 복합체(다공성 Si-C) 기술 등이 있다.

실리콘을 코팅하는 탄소계 물질로는 CNT(탄소나노튜브)와 그래핀이 사용되고 있다. 실리콘에 그래핀을 코팅하면 실리콘 팽창을 억제함과 동시에 전기전도성을 부여할 수 있으며 이를 통해 배터리 용량은 기존 흑연 코팅 실리콘 대비 6배 이상 향상되는 효과가 있다.

그라튜브의 Si-G는 나노 실리콘에 한번에 코팅이 가능하면서 고객사의 요구에 맞게 그래핀 두께를 조절할 수 있다. 그라튜브는 실리콘 소재 함량을 10~90%까지 늘린 Si-G 기술을 확보해 획기적인 전기차 배터리 용량 확대에 기여할 것으로 기대하고 있다.

그라튜브는 양극재와 실리콘 음극재를 코팅할 수 있는 SWCNT(단일벽탄소나노튜브) 코팅액을 상용화한데 이어, 특허획득한 그래핀 코팅 실리콘의 시험생산 설비를 갖출 계획이다. 또한 건식전극용 고형체와 건식전극제조에 관한 특허(6개)를 출원해 올해 등록하는 것을 목표로 하고 있다.

이밖에 2023년도부터 개발 중인 건식전극 공법으로 그래핀 코팅-실리콘(전도성 4S/cm) 음극판을 만들어 부각되고 있는 리튬메탈 적용 시장인 전고체 전지, UAM, 고성능 전지 등에 적극적으로 대응하는 제품을 출시하기 위한 파트너사를 발굴하고 있다.

김상옥 그라튜브 CTO는 “이번 특허를 기반으로 건식전극의 분체믹싱에도 벗겨지지 않는 그래핀 박막의 유지로 슈퍼 음극판을 공급할 수 있으며, 이는 리튬메탈의 대량 생산 간격을 메우는 제품으로 자리매김할 것으로 기대한다”고 밝혔다.