UNIST의 이현욱‧류정기 교수 연구팀이 차세대 리튬이온전지의 음극재로 주목받는 '실리콘'의 단점을 보완한 복합 음극재 제조기술을 개발했습니다. 해당 연구 논문은 <Nano Letters>에 게재됐습니다.
실리콘 음극재의 어려움
화석연료 사용이 경제적이고 환경적인 문제를 야기하면서 신재생에너지에 대한 관심과 수요가 급증했습니다. 이와 함께 신재생에너지를 저장해 둘 수 있는 이차전지의 필요성도 커지고 있죠. 특히 리튬 이차전지는 에너지 밀도가 높고 수명이 길며, 자가 방전율이 낮습니다. 덕분에 휴대용 전자기기와 에너지 저장장치(ESS), 전기자동차의 핵심 부품으로 널리 활용되고 있죠. 하지만 여전히 소비자들의 높은 기대치를 충족하기 위해서는 고전압ㆍ고용량 전지를 위한 연구가 필요합니다.
음극재는 2차전지 충전 때 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 소재를 말합니다. 기존 리튬 이온 전지의 음극에는 주로 흑연이 사용되는데요. 용량 한계가 있어 대체재가 필요했죠. 여러 후보 중 '실리콘'은 상용화된 흑연에 비해 10배 이상의 에너지 밀도를 갖습니다. 하지만 전기 전도도가 낮고 충전과 방전이 반복될수록 부피가 4배 정도 팽창한다는 단점이 존재했습니다. 이로 인해 전극을 구성하는 입자가 부서지면서 전극의 성능을 감소시키는 문제가 발생해 상용화에 어려움을 겪고 있었습니다.
이런 문제들을 해결하기 위해 국내외의 과학자들은 실리콘 음극재의 부피팽창 억제 및 흑연 등 다른 소재와의 복합화 연구가 활발하게 진행했습니다. 하지만 실리콘/흑연 복함체 음극의 경우 흑연이 수용 할 수 있는 실리콘의 함량은 최대 15%까지로 제한됐죠. 따라서 실제와 같은 크기의 배터리에서 더 높은 에너지 밀도를 확보하기 위해서는 고함량의 실리콘/흑연 복합체 음극재의 개발이 필수적이었습니다.
점토광물 이용해 실리콘 단점 개선
연구팀은 나노튜브 구조의 점토광물을 가공해 실리콘 나노튜브를 만들었습니다. 이때 사용한 점토광물은 고령토에서 발견되는 할로이사이트였습니다. 참고로 점토광물은 점토를 구성하는 광물로 표면적이 크고 반응성이 다양하다는 장점을 갖습니다. 연구팀은 표면에 탄소층을 코팅한 뒤 흑연과 복합화하는 방식으로 새로운 실리콘-흑연 복합체 전극을 제작했습니다.
일반 구(球)형의 실리콘 나노입자는 충·방전시 약 4배 가량 부피가 팽창합니다. 때문에 완충구조가 없을 경우 입자가 파괴될 수 있습니다. 이에 기존 전극들은 팽창률을 고려해 실리콘 함량을 최대 15% 미만으로 제한했죠. 하지만 연구팀이 제작한 실리콘 나노튜브는 튜브 내부의 빈 공간이 충·방전 과정 중의 부피 변화를 완충했습니다. 덕분에 실리콘 함량을 기존 14%에서 42%까지 대폭 높일 수 있었습니다. 실리콘 함량의 증가는 에너지 밀도 향상과 직결됩니다. 때문에 이러한 변화는 큰 의미를 갖습니다.
연구팀이 제작한 실리콘 나노튜브는 희귀금속 등이 아닌 점토광물을 원재료로 합니다. 때문에 제작비용을 크게 낮출 수 있다는 설명입니다. 또한 연구팀은 표면을 탄소로 코팅함으로써 반복되는 충·방전 실험에서도 우수한 안정성을 확보할 수 있었다고 합니다. 이번 연구는 향후 대용량에너지저장장치(ESS)나 전기자동차에서 요구되는 고용량 이차전지용 음극물질 개발에 실마리가 될 수 있을 것으로 기대됩니다.
이번 연구를 주도한 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"고 설명했습니다.
##참고자료##
