‘고 에너지 밀도 및 고속 충·방전이 가능한 가장자리 활성화 흑연/실리콘 복합체’ 개발

전기자동차 등에 사용되는 리튬이온전지의 용량과 충전 속도를 대폭 높이는 차세대 음극 소재가 개발돼 주목받고 있다.

부경대학교 고민성 교수(금속공학과·사진)는 최근 울산과학기술원(UNIST) 조재필 교수팀과 공동으로 논문 ‘고 에너지 밀도 및 고속 충·방전이 가능한 가장자리 활성화 흑연/실리콘 복합체(Fast-charging high-energy lithium-ion batteries via implantation of amorphous silicon nanolayer in edge-plane activated graphite anodes)’를 세계적인 학술지 ‘네이처’ 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인판에 게재했다.

고 교수는 이 논문을 통해 기존 리튬이온전지의 음극 소재로 사용되는 흑연보다 충전 속도는 1.5배 빠르고 용량은 50% 증가한 ‘가장자리 활성화 흑연/실리콘 복합체’를 개발했다.

흑연은 이론적으로 사용 가능한 용량이 낮아 높은 에너지 밀도를 구현할 수 없고, 빠른 속도로 충전할 경우 성능과 안전성이 떨어지는 문제가 있었다.

고 교수는 이번 연구에서 니켈 촉매환원법으로 흑연의 가장자리를 활성화시켜 고속충전 특성을 크게 향상시키는 한편, 모노 실레인 화학기상 증착법으로 흑연 안팎을 수 나노미터(Nanometer: 1나노미터는 10억분의 1미터) 두께의 비정질 실리콘으로 균일하게 코팅해 에너지 밀도를 극대화시키고, 흑연질탄소 보호막 코팅으로 전지의 안정성까지 높이는 등 원천 기술을 확보했다.

이렇게 개발된 ‘가장자리 활성화 흑연/실리콘 복합체’는 배터리 충전 및 방전 시 리튬 이온과의 반응 속도는 크게 높이고 전자 전달과 리튬이온의 이동거리는 감소시켜 배터리의 고속 충전 특성을 크게 증가시키는 것으로 나타났다.

고 교수는 “최근 주목받는 전기자동차가 상용화되기 위해서는 고속충전이 가능한 고용량 이차전지 개발이 필수적이다”면서, “이번에 개발된 음극 소재는 앞으로 전기자동차는 물론 중대형 에너지저장장치 등에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.