구멍 숭숭 그래핀 코팅 기술로 이차전지, 연료전지 내구성 잡았다

구멍 숭숭 그래핀 코팅 기술로 이차전지, 연료전지 내구성 잡았다

- 역발상 그래핀쉘 적용, 연료전지 및 이차전지의 비활성화 억제, 내구성 200% 이상 향상 성공

- 국내 자체기술로 개발된 순수 ‘소재 합성 기술’의 사업화로 대한민국 소재 기술자립에 기여

- 다공성 그래핀 합성 기술 ㈜액트로에 이전...이차전지 및 연료전지 전극소재 양산 착수

□ 탄소중립 달성을 위해 태양광, 풍력 등 재생에너지 기술뿐만 아니라 수소와 연료전지, 이차전지 등 에너지원을 저장공급하는 차세대 에너지 소자 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 가운데 국내 연구진이 이차전지와 연료전지의 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발하고 사업화에 성공해 이목을 끌고 있다.

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 고온에너지전환연구실 김희연 박사 연구진은 연료전지 촉매 및 이차전지 전극 물질의 표면에 다공성 그래핀쉘을 코팅하는 기술을 개발했다.

□ 연구진이 개발한 기술은 연료전지 촉매와 이차전지 전극의 내구성 저하 문제를 근본적으로 해결하는 기술로, 다공성 그래핀쉘을 연료전지 전극용 백금(또는 백금-전이금속 합금) 촉매와 이차전지 전극용 실리콘산화물에 적용해 내구성을 200% 이상 향상시킬 수 있다.

□ 연구진은 2010년대 초부터 꿈의 소재라 불리는 그래핀*을 적용한 전극 소재 연구에 집중해왔다. 특히, 모두가 흠집이 없는 매끈한 그래핀을 만드는데 집중할 때, 연구진은 오히려 고정관념을 깨고 구멍이 숭숭 뚫린 다공성 그래핀에 집중했다. 다공성 그래핀을 금속 촉매의 표면에 코팅하는 경우, 중간중간 구멍을 가진 그래핀 껍질의 신축성과 보호효과로 인해 연료전지 및 이차전지의 성능저하를 억제하는 것을 확인했다.

* 그래핀: 탄소원자 한 개의 두께인 0.3nm(10-9m) 두께의 얇은 막인 그래핀은 얇고 가벼우면서도 물리적, 화학적 안정성이 높고, 내구성이 뛰어나서 활용 범위가 매우 다양하다.

■ 연구진이 개발한 기술은 반도체 공정에 주로 적용되던 화학기상증착 공정을 응용했다. 전극 물질이 놓인 반응 챔버 내에 기체 상태의 탄화수소(탄소와 수소로 이루어진 화합물) 물질을 저농도로 흘려주는 것만으로 연료전지용 백금계 촉매 및 이차전지 전극용 실리콘 나노입자의 표면에 다공성 그래핀쉘을 코팅할 수 있다.

■ 이 기술은 공정이 매우 간단하고, 처리 시간이 수 초에서 수 분 내외로 짧으며, 온도와 반응물의 농도 조절만으로 그래핀쉘의 형상 및 두께를 조절할 수 있다. 이에 더해, 촉매 10kg을 코팅하는데 원료비가 수 백 원에 불과할 정도로 저렴해 적은 예산으로 단기간에 사업화가 용이하다는 장점이 있다.

□ 기본적으로 모든 종류의 배터리는 충방전 과정에서 팽창과 수축을 반복하면서 손상이 발생하고 충전효율이 저하된다. 그러나 이차전지의 차세대 음극재인 실리콘 나노 입자에 다공성 그래핀쉘을 코팅하면 배터리의 충방전 과정에서 발생하는 팽창과 수축에 탄력적으로 반응하면서 수명저하(전극의 비활성화)를 근본적으로 억제할 수 있다. 

□ 또한 연료전지 전극용 촉매의 경우, 가동 중 촉매 입자의 심각한 비활성화가 필수적으로 동반되는데, 이 경우에도 촉매 표면에 코팅된 다공성 그래핀쉘의 보호 효과로 촉매 입자의 응집, 부식, 탈락을 근본적으로 억제할 수 있다. 더불어 그래핀쉘에 숭숭 뚫린 구멍을 통해 반응물이 쉽게 이동할 수 있어 촉매 성능 저하를 최소화 할 수 있다.

■ 한편 한국에너지기술연구원은 ㈜액트로(대표 하동길)와 5월 6일 11시 대전 본원에서 ‘다공성 그래핀 코팅’ 기술 이전 체결식을 가졌다. 이날 행사에는 에너지연 김종남 원장, ㈜액트로 하동길 대표 등 관계자 6명이 참석했다.

■ 연구책임자인 김희연 박사는 “이번 기술 이전은 국내 자체기술로 개발된 순수 ‘원천 소재 기술’에 대한 사업화로써 매우 드문 사례이며, K-소부장 기술을 바탕으로 한 수소경제 및 친환경 에너지 시스템의 인프라 구축에 크게 기여할 것으로 기대한다.”고 말했다.

□ ㈜액트로 하동길 대표는 “스마트폰 부품 사업 일변도의 사업포트폴리오를 다각화하고, 미래성장 먹거리를 선정해 투자 및 추가증설 계획을 수립했다는데 의의가 있으며, 향후 원천기술 및 관련 소재기업들과 시너지를 통해 입지를 강화하겠다.”며 포부를 밝혔다.

□ 국내 정밀부품 제조 전문기업인 ㈜액트로는 기술 이전 받은 순수 국내기술을 기반으로 전극 소재를 양산할 계획이며, 기존에 대부분 수입에 의존하던 전극 소재를 국산화하고 나아가서 관련 해외 시장을 개척을 목표로 하고 있다.

□ 이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐다.