리튬이차전지용 고용량 실리콘 음극재 개발

김형진 광주과학기술원 교수팀

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 기존 리튬이차전지용 실리콘 음극재 대비 뛰어난 전기화학적 성능과 합성 공정이 간단한 실리콘-구리-탄소 복합 음극재를 개발했다. 이차전지는 충전 후 재사용이 가능해 전기차, 드론, 로봇 등 적용 영역이 점차 확장되고 있는 데, 이번 연구 결과로 이차전지의 에너지 밀도를 비약적으로 향상시킬 수 있어 주목된다.

광주과학기술원(GIST·지스트)은 김형진 에너지융합대학원 교수 연구팀이 차세대 리튬이차전지용 음극으로 주목받고 있는 실리콘 음극의 성능과 내구성을 개선하는 데 성공했다고 25일 밝혔다. 실리콘 음극은 현존 차세대 음극 중에서 가장 상용화에 가깝게 다가선 기술로, 단위 무게당 이론 용량이 최대 4200 mAh/g에 달해 기존 흑연 상용 음극 대비 10배가 넘는 이론 용량을 갖는다. 제적이고 친환경 소재로도 주목받고 있다.

대용량 에너지 저장장치(ESS) 및 전기차와 같은 높은 에너지 밀도와 출력 밀도를 요구하는 중대형 에너지 저장장치로 활용이 가능해 세계 각국에서 개발을 위한 경쟁이 치열하다. 문제는 실리콘의 비전도성 특성, 충·방전 과정에서 실리콘의 부피 팽창으로 인한 낮은 수명은 상용화에 걸림돌로 작용하고 있다.

이에 실리콘 음극의 성능 개선을 위한 재료 연구가 진행되있다. 실용적인 성능 향상을 위해서는 생산 단가가 낮고 대량 생산이 가능한 기술에 대한 연구가 필요하다.

연구팀은 간단한 전극 가열 공정을 적용해 실리콘-구리 합금 반응 및 전극 바인더를 탄소화해 실리콘 전극 전기 전도성 향상 및 충·방전시 발생하는 전극 내 기계적 응력을 완화시키는데 성공했다. 이 결과 실리콘-구리-탄소 복합 음극은 크게 향상된 전기화학적 특성을 보여주었다. 특히 4 A/g의 고전류밀도에서 기존 실리콘 음극은 충·방전이 제대로 이루어지지 않은 반면에, 실리콘-구리-탄소 복합 음극은 1776 mAh/g 의 고용량을 유지하는 것을 확인했다. 기존 실리콘 음극재 합성 기술 대비 간편한 가열 공정을 적용해 합성 공정이 간단하고 대량 생산 가능성이 높다는 장점도 있다.

김 교수는 “실리콘과 이종 금속 간의 다양한 응용과 전극 가공 기술의 융합이 핵심이며, 실리콘 재료의 제한적인 사용을 뛰어넘어 이종 금속과의 복합물 연구 결과"라며 "리튬이차전지의 성능향상에 기여할 수 있기를 바란다"고 말했다.

이번 연구 결과는 재료과학, 코팅 분야의 국제 학술지 '어플라이드 서피스 사이언스(Applied Surface Science)'에 지난 10일 온라인 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr