배터리 용량 25% 증가, 고용량 리튬이온 이차전지
배터리 용량 25% 증가, 고용량 리튬이온 이차전지
  • 함예솔
  • 승인 2020.06.09 20:35
  • 조회수 3569
  • 댓글 0
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고용량 배터리를 위한 공정 기술이 개발됐습니다. 한국과학기술연구원(KIST) 청정신기술연구소의 에너지저장연구단 이민아 박사, 에너지소재연구단 홍지현 박사 공동 연구팀은 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극(-) 소재보다 전지 용량이 4배 이상 큰 실리콘 기반 음극 소재의 고질적인 문제를 손쉽게 해결하는 기술을 개발했습니다. 해당 연구는 화학 분야 국제학술지 <Angewandte Chemie : International Edition>에 게재됐습니다. 

 

손실된 리튬 미리 추가해 문제 해결

 

최근 전기차의 주행거리 향상을 위해 현재 사용하고 있는 리튬 배터리의 음극 소재인 흑연보다 에너지를 4배 이상 저장할 수 있는 실리콘이 음극 소재로 주목받고 있습니다. 하지만, 실리콘계 음극이 포함된 배터리는 생산 후 첫 번째 충전 시 전력저장에 사용되어야 할 리튬 이온이 20% 이상 손실돼, 전체 배터리의 용량이 줄어드는 문제점을 갖고 있었습니다. 이를 해결하기 위해 손실될 리튬을 미리 추가하는 '사전 리튬화' 방법이 연구되고 있습니다. 하지만 기존에 제시된 리튬 분말을 이용한 방법은 폭발 위험성 및 높은 비용이 걸림돌이었습니다.

 

KIST 이민아-홍지현 박사 연구팀은 분말이 아닌 용액을 활용해 '사전 리튬화'를 위한 전처리 기술을 개발해 실리콘계 음극의 리튬 소모를 차단했습니다. 개발한 용액에 전극을 5분 정도 담그기만 해도 전자와 리튬이온이 음극 구조 내부로 들어가는 '사전 리튬화'를 성공시킬 수 있었습니다. 이러한 손쉬운 공정이 가능해진 것은 리튬 분말을 전극에 첨가하는 기존 방식과 달리 전극 내부로 전처리 용액이 빠르게 침투하여 균일하게 실리콘 산화물 내부로 리튬을 전달할 수 있기 때문입니다. 

 

간단하고 경제적이며 반응이 안전하고 균일한 장점

 

연구진이 개발한 용액을 이용해 5분간 전처리를 거친 실리콘계 음극은 첫 충전 시 리튬 손실이 1% 이내로 감소하여 99%를 상회하는 높은 초기 효율을 보였습니다. 이러한 방식으로 처리한 음극을 이용해 배터리를 제작한 결과 상용 배터리 대비 25% 높은 에너지 밀도(406Wh/kg → 504Wh/kg)를 얻을 수 있었습니다.

고환원성 용액을 이용한 실리콘 음극 사전 리튬화 공정 모식도. 출처: KIST
고환원성 용액을 이용한 실리콘 음극 사전 리튬화 공정 모식도. 출처: KIST

시장의 실리콘 음극재 수요는 2025년까지 연평균 70% 성장할 것으로 예측되며 시장 규모는 2020년 현재 3천8백만 달러 규모에서 2025년 1억 7천 7백만 달러로 확대될 것으로 예상됩니다. 본 기술을 활용하면 실리콘 음극을 활용한 리튬 이차전지의 에너지 밀도를 획기적으로 개선할 수 있어 산업계에 큰 파급력을 가질 것으로 예상됩니다.

 

연구진은 고환원성 용액을 고안해 실리콘 산화물의 화학적 사전 리튬화에 세계 최초로 성공했습니다. 본 기술은 기존의 사전 리튬화 방법과 달리 간단하고 경제적이며 반응이 안전하고 균일한 장점이 있으며 사전 리튬화 된 전극의 건조 공기 안정성이 확보되었기 때문에 roll-to-roll 공정에도 쉽게 적용할 수 있어서 실제 양산 공정에 활용 가능성이 클 것으로 기대됩니다.

이민아 박사. 출처: KIST
이민아 박사. 출처: KIST

 

 

 

 

본 연구를 주도한 KIST 이민아 박사는 "전산재료과학 기법을 도입해 설계한 최적의 분자 구조를 활용했다"며 "용액의 온도와 처리 시간만 조절하는 간단한 방법으로 고용량 실리콘계 음극의 효율을 크게 향상시킬 수 있었고 롤투롤(roll-to-roll) 공정에 쉽게 적용할 수 있어 기존 업계의 전지 제조 설비를 활용한 양산 가능성이 매우 크다"고 말했습니다.

 

 

 

 

 

홍지현 박사. 출처: KIST
홍지현 박사. 출처: KIST

 

 

공동연구자인 KIST 홍지현 박사는 "KIST 내부 연구단 간의 활발한 협력 연구를 장려하는 분위기가 있었기에 우수한 성과를 얻는 것이 가능했다"라며 "이 전처리 기술을 활용하면 전기차의 주행거리가 현재보다 평균적으로 최소 100km 이상 늘어날 수 있을 것"이라고 밝혔습니다.

 

 

 

 

 

  • 전산재료과학

컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 물질의 조성과 구조를 예측하는 연구 방법입니다.

  •  롤투롤(roll-to-roll) 

인쇄 매체를 대량 제작하던 기술을 제조에 적용한 겁니다. 

 


##참고자료##

 

 


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