리튬이온전지 용량 늘릴 새 해법…'실리콘 복합 음극재' 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 리튬이온전지의 용량을 늘릴 새로운 해법이 제시됐다. 기존 리튬이온전지 음극재인 흑연을 대체하기 위해 활발히 연구되고 있는 실리콘 복합 음극재를 탄소나노튜브 구조로 만들어 실리콘 함량을 크게 높일 수 있는 기술이다.

14일 한국연구재단은 울산과학기술원(UNIST) 이현욱·류정기 교수 연구팀이 차세대 리튬이온전지 음극재로 주목받는 ‘실리콘’의 단점을 보완한 복합 음극재 제조기술을 개발했다고 밝혔다.

현재 리튬이온전지의 음극재로 가장 많이 사용되는 흑연은 이론적인 용량의 한계가 약 370mAh/g 정도다. 반면 실리콘의 이론 용량은 흑연의 10배 이상으로 크기 때문에 실리콘을 활용한 음극재 개발 경쟁이 치열하다.

하지만 실리콘은 전기전도도가 낮고 충방전이 반복될수록 부피가 팽창하는 게 문제다. 일반적인 구(球)형의 실리콘 나노입자는 충·방전시 약 4배 가량 부피가 팽창, 완충구조가 없을 경우 입자가 파괴될 수 있다. 이를 해결하기 위해 국내외에서 실리콘 음극재의 부피팽창 억제 및 흑연 등 다른 소재와의 복합화 연구가 활발하게 진행됐지만 지금까지 실리콘-흑연 복합체 음극의 경우 수용할 수 있는 실리콘의 함량이 최대 15% 미만이였다.

UNIST 연구팀은 나노튜브 구조의 점토광물(고령토에서 발견되는 할로이사이트)을 가공해 실리콘 나노튜브를 만들고, 표면에 탄소층을 코팅한 뒤 흑연과 복합화하는 방식으로 새로운 실리콘-흑연 복합체 전극을 제작했다. 자연 상태에서 나노튜브 형태로 존재하는 할로이사이트 점토 광물을 에칭, 환원 및 탄소 코팅 과정을 통해 이차전지 음극재에 적합하도록 합성했다.

이렇게 제작한 실리콘 나노튜브는 튜브 내부의 빈 공간이 충·방전 과정 중의 부피 변화를 완충, 실리콘 함량을 42%까지 대폭 높일 수 있었다. 이론 에너지밀도가 높은 실리콘 함량의 증가는 리튬이온전지의 용량을 늘릴 수 있는 방법이다.

또한 표면을 탄소로 코팅함으로써 반복되는 충·방전 실험에서도 우수한 안정성을 확보할 수 있었다. 점토광물을 원재료로 하기 때문에 제작비용도 크게 낮출 수 있다. 이현욱 교수는 “실리콘 나노 튜브를 적용해 부피당 에너지 저장 용량이 큰 고밀도의 실리콘-흑연 복합체를 개발할 수 있었다”면서 "향후 대용량에너지저장장치(ESS)나 전기자동차에서 요구되는 고용량 이차전지용 음극물질 개발에 실마리가 될 수 있을 것으로 기대"했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 신진연구자사업과 기후변화대응기술개발사업으로 수행됐으며 연구성과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 11월 1일자로 게재됐다.

◇논문명 : Native Void Space For Maximum Volumetric Capacity in Silicon-Based Anodes ◇주저자 : 염수정 박사과정(제1저자/UNIST), 류정기·이현욱 교수(교신저자/UNIST)

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