‘고용량·긴 수명’ 실리콘 음극재 개발…“리튬이온전지 성능 향상”

고용량에 긴 수명으로 리튬이온전지의 에너지 밀도를 높일 실리콘 음극재가 개발됐다.

배터리 소재는 양극재·음극재·분리막·전해질 등 4가지로 나뉜다. 음극재는 배터리 소재의 일종인 음극재는 충전 과정에서 환원반응을 하면서 리튬을 저장하고, 방전되는 과정에서 산화반응에 의해 리튬을 방출한다. 이중 실리콘 음극재는 기존 흑연 기반의 음극재가 가진 한계를 극복·대체할 소재로 주목받는다.

실리콘 기반의 중간엔트로피와 고엔트로피 합금 구조와 전기화학 성능 비교 및 고엔트로피 합금의 리튬이온 저장에 따른 구조 변화 모식도. 한국연구재단 제공

한국연구재단은 박호석 성균관대 교수 연구팀이 실리콘 기반의 고엔트로피 합금 소재로 고용량, 긴 수명의 리튬이온전지 음극 소재를 개발하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.

고엔트로피 합금은 주된 원소에 보조 원소를 더하는 일반적 합금과 달리, 주된 원소 없이 여러 원소를 5% 이상(비교적 동등한 비율)으로 혼합함으로써 혼합 엔트로피가 1.5R 이상인 소재다. 합금의 조합으로 다양한 물성 구현이 가능한 특·장점을 가졌다.

최근에는 전기차 시장의 성장으로 배터리 기술경쟁도 한층 더 치열해졌다. 연장선에서 음극재인 흑연 용량 한계(이론용량 372mAh/g)를 극복하기 위해 고용량 실리콘(이론용량 4200mAh/g)으로 대체하기 위한 연구도 활발하게 진행돼 왔다.

하지만 그간 실리콘 소재는 낮은 전기전도도와 충·방전을 다회 반복할 때 부피가 팽창, 장기적으로 안정성이 떨어지는 문제를 드러냈다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 조성의 원소로 이뤄진 실리콘 기반의 고엔트로피 합금 소재를 개발, 한 가지 소재로 구현하기 어려운 물성을 부여해 실리콘의 성능 저하를 방지하는 데 성공했다.

특히 고에너지 볼밀링(ball milling) 합성법을 사용해 합성 방법의 공정을 최소화하는 동시에 고용량의 실리콘(Si), 고반응성의 인(P), 빠른 리튬이온 전도성을 가진 게르마늄(Ge), 자가 복원력을 가진 액체 금속의 갈륨(Ga)의 장점을 도입한 GaGeSiP3 소재를 개발했다.

볼밀링은 금속 실린더와 볼로 구성돼 실린더가 회전할 때 볼과 재료가 마찰, 원심력에 의해 재료를 미세한 분말로 분쇄하거나 혼합하기 위한 분쇄 장치다.

이를 이용해 개발한 GaGeSiP3 소재는 고전류 밀도에서도 949mAh/g의 높은 율속(충·방전 속도를 높였을 때 용량 유지율이 높아지거나 나빠지는 특성) 용량을 보였고, 2000회 충·방전 이후에도 1121mAh/g의 높은 용량을 유지하는 것으로 확인됐다.

박호석 교수는 “이번 연구는 리튬이온전지 에너지 밀도를 높이는 데 필요한 핵심 소재인 실리콘 문제를 해결할 방안을 제시, 고엔트로피 합금 소재를 반응성 높은 인(P) 원자에서 처음으로 구현했다는 점에서 의의를 갖는다”고 소개했다.

한편 연구팀은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더 연구 사업 지원을 받아 연구를 수행했다. 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학’ 4월 16일자에도 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr