[기계신문] 리튬이온 이차전지는 전기 에너지를 화학 에너지로 형태로 저장할 수 있는 에너지 변환 장치이다. 모바일 기기에서 전기자동차로 배터리의 응용 분야가 확대되면서 고용량·고출력·고에너지밀도 특성을 가지는 리튬이온전지 개발이 요구되고 있다.
리튬이온전지용 핵심 소재 중 음극재는 구조가 안정적이며 높은 가역성과 출력 특성을 가지는 흑연계 음극재가 사용되어져 왔다. 그러나 흑연계 음극재는 이론 용량이 372mAh/g로 고용량화에 한계가 있어 이보다 높은 새로운 음극재 개발이 필요하다.
한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 정훈기 박사 연구팀이 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극 소재보다 전지 용량이 4배 이상 크고, 5분 만에 80%이상 급속충전도 가능한 실리콘 기반 음극소재를 개발했다. 이를 전기자동차에 적용하면 주행거리가 지금보다 2배 이상 크게 늘어날 것으로 기대된다.
현재 상용화된 전기차 배터리는 흑연을 음극 소재로 사용하고 있지만, 전지 용량이 적어 내연기관 자동차보다 주행거리가 짧다는 한계가 있다. 장거리 주행이 가능한 전기차를 개발하기 위해, 흑연보다 에너지를 10배 이상 저장할 수 있는 실리콘이 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.
하지만 실리콘은 충·방전이 반복되면 부피가 급격히 팽창하고 용량이 크게 줄어들어 상용화가 쉽지 않았다. 또한, 음극 소재로서의 실리콘은 안정성을 높이기 위해 여러 방법이 제시되었지만, 복잡한 공정과 높은 비용 때문에 아직까지 흑연을 대체하지 못하고 있었다.
KIST 정훈기 박사 연구팀은 실리콘의 안정성을 높이기 위해 물, 기름, 전분과 같이 일상생활에서 쉽게 구할 수 있는 값싼 재료에 주목했다. 각각 물에 전분을 풀고, 기름에는 실리콘을 풀어서 섞은 뒤, 가열하여 탄소-실리콘 복합소재를 만들었다.
튀김을 만드는 것과 같은 손쉬운 가열 공정을 통해 탄소와 실리콘 복합체를 단단하게 고정시킨 것이다. 이를 통해 충·방전 시 실리콘 음극재의 부피 팽창을 예방하였다.
연구팀이 개발한 복합소재는 기존 흑연계 음극 소재에 비해 4배 이상 높은 용량(360 → 1,530mAh/g)을 보였으며, 500회 이상 충·방전에도 안정적으로 용량이 유지되고 5분 이내에 80% 이상 급속으로 충전할 수 있는 특성을 보였다.
이러한 우수한 특성은 탄소 구조체가 실리콘의 부피팽창을 억제하여 실리콘 소재의 안정성을 높이고, 탄소의 높은 전기전도도와 실리콘 구조의 재배열을 통해 고출력 특성도 얻었기 때문이다.
정훈기 박사는 “옥수수 전분과 같이 일상생활에서 구하기 쉬운 재료를 활용하고, 복잡한 반응기 없이 재료의 단순 혼합과 열처리를 통해 탄소-실리콘 복합소재를 개발했다”며 “이러한 손쉬운 공정과 우수한 특성은 대량 생산과 상용화 가능성이 매우 크고, 향후 리튬이온 이차전지에 적용되어 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)에 활용될 것”이라고 말했다.
이번 연구에서는 저가의 친환경 소재로부터 탄소-실리콘 복합체를 만들었고, 이는 특유의 안정한 구조로 용량·수명 특성을 개선시켜 차세대 배터리 분야에 적용될 수 있다. 고용량·고에너지밀도·장수명 특성이 있는 실리콘 음극의 공정 단순화 및 대량 생산성을 제시하여 실리콘 음극재의 상용화 가능성이 커질 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 기후변화대응개발사업 등으로 수행되었으며, 연구 결과는 나노기술 분야 국제저널인 ‘Nano Letters’ 최신 호에 게재됐다.
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