바리센, 1축 탄소 복합 나노 실리콘 음극재 상용화 추진

바리센은 1축 나노 실리콘 기반의 탄소 하이브리드 나노 실리콘 음극재를 개발하고 상용화를 위해 포스텍 기계공학과 박성진 교수와 공동 연구에 나선다고 19일 밝혔다.

바리센이 고안한 1축 나노 실리콘 음극재는 실리콘을 나노 두께 1축 구조로 제작하면서 탄소와 복합체를 이루는 구조로 리튬이온의 충·방전 속도를 개선한 것이 특징이다.

기존 실리콘산화물(SiOx) 기반 나노 실리콘 음극재는 고온 진공 장비를 사용해 고체 상태 실리콘을 기체화 시킨 후 다시 고체로 변환하는 기상화 공정을 통해 제조된다. 투자비가 소요되고 연속 생산에 한계가 있었다.

바리센의 1 축 나노 실리콘 기술은 실리콘을 고체에서 액체로, 다시 고체로 변환하는 액체화 공법을 사용한다. 액체화 된 실리콘에 압력을 가하면 원하는 형태로 변형시킬 수 있어 두께 방향의 나노 실리콘 제조가 가능하다. 진공 장비를 사용하지 않기 때문에 설비 투자 비용이 10분의 1 이하로 낮아져 생산 원가를 획기적으로 낮출 수 있고 연속 대량 생산이 가능한 것이 장점이라고 회사는 설명했다.

바리센의 1축 나노 실리콘 리튬 충방전 모델링 (바리센 제공)
바리센의 1축 나노 실리콘 리튬 충방전 모델링 (바리센 제공)

또 탄소 복합 1 축 나노 실리콘을 분말화 할 때 흑연과 유사한 입자 크기(10~20㎛)로 초기 충전 효율을 90% 이상으로 높일 수 있는 만큼 기존 SiOx 기반 나노 실리콘 음극재 대비 초기 충전용량에서도 우위를 제공할 수 있다고 덧붙였다.

박성진 교수는 “용융 상태 실리콘에 압력을 가해 변형시키는 공정은 나노 실리콘 양산에 있어 혁신적인 접근”이라며 “이 과정에서 탄소 복합체와의 상호작용을 통해 실리콘·탄소 화합물을 형성하고, 이 화합물은 실리콘을 보호하면서 전기적 안정성을 높여준다”고 설명했다.

실리콘은 현재 음극 소재로 널리 쓰이는 흑연에 비해 이론적으로 10배 이상 많은 용량을 갖춰 배터리 에너지 밀도를 획기적으로 높이고 충전 시간도 단축시킬 수 있는 장점이 있지만, 기술 난이도가 높다.

바리센은 같은 용량의 이차전지를 만들 때 흑연 음극재만 사용할 때와 실리콘 음극재만 사용할 때 가격이 동일해 지는 '이븐 포인트'가 오면 실리콘 음극재 시장이 폭발적으로 성장할 것으로 기대하고 있다. 자체 분석에 따르면, 복합 실리콘 음극재의 용량이 1500~2000mAh/g일 때 복합 실리콘 음극재 가격이 ㎏당 15~20달러가 되면 흑연 음극재를 완전히 대체할 수 있을 것으로 내다보고 있다.

박철 바리센 대표는 “실리콘 음극재의 가격을 대폭 낮출 수 있는 기술로 이븐 포인트 달성에 유리해 실리콘 음극재의 사용을 획기적으로 활성화 시킬 수 있을 것”이라며 “지속적인 산학 협력을 통해 혁신 기술 개발에 박차를 가하겠다”고 말했다.

정현정 기자 iam@etnews.com