리튬이온전지용 고에너지밀도 음극재 기술 개발
- 속이 빈 나노튜브 구조로 충방전시 부피팽창 완충, 실리콘 함량 높여 -
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 이현욱‧류정기 교수 연구팀(UNIST)이 차세대 리튬이온전지 음극재※로 주목받는 ‘실리콘’의 단점을 보완한 복합 음극재 제조기술을 개발했다고 밝혔다.
※음극재 : 2차전지 충전 때 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 소재
□ 음극재로 가장 많이 사용되는 흑연은 부피당 용량이 적은 한계로 인해 고용량 구현이 어려워 대체재 연구가 추진돼 왔다.
ㅇ 흑연에 비해 10배 이상 에너지 밀도가 높은 ’실리콘’이 대안으로 주목받지만, 실리콘의 낮은 전기전도도와 충전과 방전이 반복될수록 부피가 팽창하여 전극 성능이 감소되어 상용화가 어려웠다.
□ 연구팀은 나노튜브 구조의 점토광물※(고령토에서 발견되는 할로이사이트)을 가공해 실리콘 나노튜브를 만들고, 표면에 탄소층을 코팅한 뒤 흑연과 복합화하는 방식으로 새로운 실리콘-흑연 복합체 전극을 제작하였다.
※ 점토광물 : 점토를 구성하는 광물로 표면적이 크고, 반응성이 풍부함
□ 일반 구(球)형의 실리콘 나노입자는 충·방전시 약 4배 가량 부피가 팽창, 완충구조가 없을 경우 입자가 파괴될 수 있다. 때문에 기존 전극들은 팽창률을 고려해 실리콘 함량을 최대 15% 미만으로 제한했다.
ㅇ 하지만 연구팀이 제작한 실리콘 나노튜브는 튜브 내부의 빈 공간이 충·방전 과정 중의 부피 변화를 완충, 실리콘 함량을 기존 14%에서 42%까지 대폭 높일 수 있었다. 실리콘 함량의 증가는 에너지 밀도 향상과 직결되기 때문에 의미가 있다.
□ 한편 희귀금속 등이 아닌 점토광물을 원재료로 하기 때문에 제작비용을 크게 낮출 수 있다는 설명이다.
ㅇ 또한 표면을 탄소로 코팅함으로써 반복되는 충․방전 실험에서도 우수한 안정성을 확보할 수 있었다.
□ 이현욱 교수는 “높은 에너지 밀도를 가지는 배터리 디자인에는 부피당 에너지 용량이 중요한 요소”라며 “실리콘 나노 튜브를 적용해 부피당 에너지 저장 용량이 큰 고밀도의 실리콘-흑연 복합체를 개발할 수 있었다”라고 설명했다.
ㅇ 향후 대용량에너지저장장치(ESS)나 전기자동차에서 요구되는 고용량 이차전지용 음극물질 개발에 실마리가 될 수 있을 것으로 기대된다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구자사업과 기후변화대응기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 11월 1일자로 게재됐다.
※ 논문명 : Native Void Space For Maximum Volumetric Capacity in Silicon-Based Anodes
