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실리콘 음극 ‘레이저 결합’으로 배터리 수명 높인다

실리콘 음극 ‘레이저 결합’으로 배터리 수명 높인다- 탄소 복합체·레이저 처리로 충·방전 시 전극 손상 줄여- 흑연 대비 용량 최대 20배, 미처리 실리콘 대비 수명 2배 □ 한국생산기술연구원이 충·방전을 반복할수록 쉽게 손상되는 실리콘 음극의 안정성을 높이는 기술을 개발했다.ㅇ 생기원 서남기술실용화본부 에너지나노그룹 임진섭 수석연구원 연구팀은 전남대학교(이하 전남대) 고분자융합소재공학부 윤창훈 교수 연구팀과 함께 실리콘 입자를 안정적으로 지지하는 3차원 전도성 골격을 구현했다.ㅇ 연구팀은 여기에 적외선 레이저 처리를 더해 골격 간 연결성을 높임으로써, 충·방전 과정에서 발생하는 실리콘 음극의 구조 손상을 완화하는 데 성공했다고 밝혔다. □ 스마트폰, 전기차 등에 사용되는 리튬이온전지는 충전 과정에서 리튬이온을 음극에 저장하고, 사용 시 다시 양극으로 이동시키며 전기를 공급하는 구조이다. ㅇ 이때 음극 소재로 널리 쓰이는 흑연은 장기간 사용해도 안정적이지만, 저장할 수 있는 리튬의 양이 제한적이어서 보다 많은 리튬을 저장할 수 있는 실리콘이 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.ㅇ 그런데 실리콘은 충‧방전 과정에서 부피가 크게 팽창‧수축하는 특성으로 인해 배터리 용량이 빠르게 감소하는 단점이 있다. □ 연구팀은 실리콘 음극의 구조 손상을 줄이기 위해 마이크로 실리콘 입자에 셀룰로오스-탄소나노튜브 복합체(Cellulose-Carbon Nanotube, 이하 C-CNT)를 결합해 음극층을 만들었다.ㅇ C-CNT는 식물 섬유인 셀룰로오스와 전기가 잘 통하는 탄소나노튜브를 결합한 복합체다.ㅇ 음극층 안에서 이 복합체가 서로 얽히며 형성된 3차원 지지 구조물(Scaffold)이 실리콘 입자를 촘촘히 감싸 잡아 주고, 전자 이동 통로 역할도 함께 수행해 충·방전 과정에서도 음극 구조가 안정적으로 유지될 수 있다. □ 연구팀은 여기에 파장 1,070나노미터(㎚)의 적외선 레이저를 조사해 C-CNT를 실리콘 표면에 결합시켜 두 소재 간 결합력을 높였다.ㅇ 레이저가 조사되면 실리콘 입자 표면이 순간적으로 가열되면서 주변의 탄소나노튜브와 셀룰로오스가 실리콘 표면에 화학적으로 결합하게 된다.ㅇ 이 과정에서 셀룰로오스는 전기가 더 잘 통하는 흑연 구조로 변환되고, 실리콘 표면에는 탄화규소(SiC) 보호막이 형성되는 원리이다. ㅇ 이를 통해 실리콘이 팽창·수축하는 과정에서도 탄소 지지 구조물이 함께 지탱해 주기 때문에 음극 구조를 안정적으로 유지할 수 있다. □ 개발된 음극은 전기화학 특성 평가 결과 초기 용량과 용량 유지율이 모두 개선된 것으로 나타났다.ㅇ 저속 충·방전 조건인 0.1C*에서 2,213밀리암페어시 퍼 그램(mAh/g), 고속 충·방전 조건(2.0C)에서 1,350mAh/g의 초기 용량을 기록했다. * 배터리를 충전하거나 방전하는 속도를 나타내는 단위로, 1C는 약 1시간, 2.0C는 약 30분, 0.1C는 약 10시간에 충·방전하는 속도에 해당ㅇ 이는 흑연 음극의 용량인 300mAh/g(0.1C), 65mAh/g(2.0C)과 비교해 약 7배, 20배 높은 수치다.ㅇ 100회 충․방전 후 용량 유지율은 레이저 처리를 하지 않은 실리콘 음극 34%보다 2배 이상 높은 71%의 수명 특성을 기록했다. □ 임진섭 수석연구원은 “이번 성과는 실리콘 음극의 저장 용량을 높였을 뿐 아니라 반복 사용 중 음극 구조가 손상되는 문제를 줄였다는 데 의미가 있다”고 말하며 “대면적 전극 제조 조건과 실제 셀 적용 가능성을 단계적으로 검증할 계획”이라고 밝혔다.ㅇ 공동 교신저자 윤창훈 교수는 “셀룰로오스-탄소나노튜브 복합체 기술을 배터리 음극 구조 설계에 적용한 사례”라며, “당초 온실가스 농도 측정을 위한 센서 개발 과정에서 출발한 복합체기술이 생기원의 배터리 소재‧공정 연구 역량과 결합 되며 의미 있는 성과로 이어졌다”라고 밝혔다. □ 이번 연구는 과학기술정보통신부의‘에너지 변환 및 저장 소자 자원재순환 지역혁신 선도연구센터’사업 지원을 받아 수행되어 4월 22일 재료과학 분야 학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 온라인판에 게재됐다. ※ 논문명 : Laser-Welded Cellulose-Carbon Nanotube Nanocomposites as a 3D Scaffold of Si Anodes for High-Performance Lithium-Ion Batteriess(https://doi.org/10.1002/adfm.20252

성능․안전 동시에 잡은 전고체 배터리 핵심 소재 개발

성능·안전 동시에 잡은 전고체 배터리 핵심 소재 개발- 세 원소 조합으로 이온전도도 77배 향상, 유독가스 40% 감소- 전고체 전지 적용 실증, 100회 충·방전에도 안정적 작동 □ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 전고체 배터리용 황화물계 고체전해질의 성능과 안정성을 높인 소재를 개발했다.ㅇ 생기원 저탄소에너지그룹 김태효 수석연구원 연구팀은 황화물계 고체전해질 소재에 세 가지 원소를 조합해 리튬이온 이동성을 높이고, 공기 중 수분 노출 시 발생하는 유독성 황화수소(H₂S)를 줄이는 데 성공했다고 밝혔다. □ 고체전해질은 전고체 배터리 안에서 양극과 음극 사이로 리튬이온이 이동하는 통로 역할을 하는 소재로, 이 중 이온전도도가 높은 황화물계가 유력한 후보 소재로 꼽힌다.ㅇ 연구팀은 황화물계 고체전해질 중 육리튬 인 오황화 아이오다이드(Li₆PS₅I)에 주목했다. ㅇ Li₆PS₅I는 제조 원가가 낮고, 리튬 금속과 맞닿았을 때 아이오딘화 리튬(LiI) 나노 보호층을 형성해 셀 안정성을 높이는 장점이 있다. ㅇ 다만 황화물계 고체전해질 가운데 상대적으로 이온전도도가 낮고 습기에 취약해 공기 중 수분에 노출될 경우 유독성 황화수소가 발생하는 단점이 있다. □ 연구팀은 Li₆PS₅I에 역할이 다른 세 가지 원소, 즉 염소, 안티몬, 산소를 함께 넣는 방식으로 이 문제를 해결했다.ㅇ 염소(Cl)는 소재 내부의 원자 배열을 바꿔 리튬이온 이동을 더 쉽게 하고, 안티몬(Sb)과 산소(O)는 수분에 더 강한 결합 구조를 만들어 소재 분해와 황화수소 발생을 줄이는 역할을 한다.ㅇ 연구팀은 세 원소의 비율을 단계적으로 조절하며 다양한 조성을 비교․검증한 끝에 이온전도도와 구조 안정성의 균형이 최적인 조성을 도출했다. □ 실험 결과 개발된 소재의 이온전도도는 1.158 밀리지멘스퍼 센티미터(mS/cm)로, 기존 대비 약 77배 높아졌다.ㅇ 상대습도 30% 환경에서 황화수소 발생량도 40% 줄어 수분 저항성도 개선된 것을 확인했다. ㅇ 더 높은 상대습도 50% 환경에서는 24시간 노출 시 기존 소재가 진흙처럼 변질된 반면, 개발 소재는 고체 상태를 유지하는 것으로 나타났다. □ 리튬 금속과의 안정성도 개선됐다.ㅇ 배터리 내부 합선 직전까지 버티는 한계 전류 값이 기존 대비 86% 높아졌으며, 리튬 금속과 맞닿은 상태에서 2,000시간 이상 안정적으로 작동하는 것이 확인됐다. □ 연구팀은 특히 소재 설계에 그치지 않고, 압력 셀을 조립해 사이클 성능까지 확인함으로써 소재 개발부터 전지 실증까지 전 과정에 걸쳐 기술 완성도를 높였다.ㅇ 개발된 고체전해질을 적용한 결과 전고체 전지의 초기 방전용량은 158.4 밀리암페어시 퍼 그램(mAh/g)으로, 기존 Li₆PS₅I 기반 전지(134.5 mAh/g)보다 18% 향상된 것으로 나타났다. ㅇ 충․방전 100회 반복 내구성 시험에서도 안정적으로 작동하는 것을 확인했다. □ 김태효 수석연구원은 “황화물계 고체전해질에서 성능과 안정성을 함께 높일 수 있는 소재 개발 가능성을 확인한 성과”라고 말하며, “국내 소재․부품․장비 기업으로의 기술 이전을 통해 전고체 배터리 상용화를 앞당길 계획”이라고 밝혔다. □ 이번 연구 성과는 화학공학 분야 국제학술지 케미칼 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal)에 게재됐다.* 논문 제목 : Ternary doped iodine-enriched argyrodite solid electrolyte with superior air stability and excellent lithium compatibility for all-solid-state Li metal batteries (doi.org/10.1016/j.cej.2026.173923)

K-패키징 국가대표 가린다

K-패키징 국가대표 가린다- 3월 31일, 킨텍스에서 제20회 대한민국 패키징 대전 개최- 2007년 첫 포상부터 세계 무대 진출까지, K-패키징 기술혁신 견인차 □ 산업통상부가 주최하고 한국생산기술연구원(원장 이상목. 이하 생기원) 패키징기술센터가 주관하는 '2026 대한민국 패키징 대전(KOREA STAR AWARDS 2026)'이 고양시 킨텍스(KINTEX)에서 3월31일(화) 개막했다.ㅇ 대한민국 패키징 대전은 국내 패키징 분야의 유일한 정부시상으로, 매년 기술력·친환경성·디자인을 겸비한 우수 패키징기술을 발굴‧포상해 왔다. □ 국내 패키징 산업은 단순한 포장을 넘어, 글로벌 환경 규제와 K-브랜드의 가치를 높이는 핵심산업으로 탈바꿈하고 있다. ㅇ K-뷰티·K-푸드부터 첨단소재 패키징까지, K 브랜드의 경쟁력을 좌우하는 고부가가치 미래산업으로 급부상 중이다. □ 20회를 맞은 올해 최고상인 국무총리상은 ‘이커머스 물류 안정성 강화 및 재활용 최적화 단일소재(all-pp) 4.0㏄펌프 패키징’을 개발한 ㈜SUN&L다린창녕공장에 돌아갔다.ㅇ 해당 제품은 금속 부품을 PP 단일소재 스프링으로 대체해 재활용성을 확보하면서도, 이중 잠금 구조로 이커머스 배송 중 누출·오작동을 방지해 기능성과 친환경성을 동시에 구현한 점이 높은 평가를 받았다. □ 국무총리상을 포함한 총 48점의 수상작들은 국내 최대 패키징 전시회인 'KOREA PACK 2026(국제포장기자재전)' 특별전시관을 통해 4월 3일까지나흘 간 공개된다.ㅇ 올해 수상작들에는 재활용성·재사용성·탄소저감 등 글로벌 패키징 규제 강화 흐름이 뚜렷하게 반영돼 있어 K-패키징의 경쟁력을 입증하는 기술 교류 및 판로개척의 장이 될 전망이다. □ 발굴된 수상작들은 세계 패키징 무대로 진출할 수 있는 자격도 부여된다.ㅇ 아시아패키징연맹(APF)이 주관하는 '아시아스타 어워즈(ASIA STAR AWARDS)'와 세계포장기구(WPO) 주관 '월드스타 어워즈(WORLD STAR AWARDS)'가 그 무대다.ㅇ 지금까지 패키징 대전을 거쳐 아시아스타 어워즈 102건(출품 169건), 월드스타 어워즈 103건(출품 153건)이 수상해 K-패키징의 기술력을 세계 무대에서 입증해 왔다. □ 특히 패키징 분야 월드컵으로 불리는 ‘월드스타 어워즈’에서 그 성과가 더욱 두드러진다.ㅇ KGC인삼공사의 홍삼 패키지가 ‘2024 월드스타 어워즈'에서 최고상인 프레지던트 골드를 받은 데 이어 2025년에는 ㈜삼화의 단일소재 리필 화장품 패키지가 지속가능 패키징 부문 브론즈를 수상하며 K-패키징의 기술력을 재차 입증했다. □ 국제적 권위의 수상 실적은 K-패키징의 기술 신뢰도를 높여 실질적인 비즈니스 성과 창출로 이어지고 있다.ㅇ 실제로 국내외 바이어들 간 기술 협력, 판로 개척 사례가 늘어나는 등 국내 스마트·친환경 패키징은 연평균 6.5% 성장을 기록 중이다. □ 이상목 원장은 환영사를 통해 “패키징은 이제 단순한 포장을 넘어 브랜드 가치를 높이고 글로벌 환경 이슈에 대응하는 전략기술로 부상했다”고 말하며 “패키징 대전이 20회를 기점으로 K-패키징의 새로운 미래를 위한 교류와 도약의 장이 되기를 바란다”고 밝혔다.