GIST, 리튬이차전지용 고용량 실리콘 음극재 개발
GIST, 리튬이차전지용 고용량 실리콘 음극재 개발
  • 엄재성 기자
  • 승인 2021.08.25 16:16
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기존 실리콘 음극재 대비 뛰어난 전기화학적 성능과 내구성 확보

이차전지는 일차전지와 달리 충전 후 재사용이 가능하여 전기차, 드론, 로봇 등 적용 영역이 점차 확장되고 있다. 국내 연구진이 기존 리튬이차전지용 실리콘 음극재 대비 뛰어난 전기화학적 성능과 합성 공정이 간단한 실리콘-구리-탄소 복합 음극재를 개발하여 향후 이차전지의 에너지 밀도를 비약적으로 향상시킬 것으로 기대된다.

GIST(광주과학기술원) 에너지융합대학원 김형진 교수 연구팀은 차세대 리튬이차전지용 음극으로 주목받고 있는 실리콘 음극의 성능과 내구성을 개선하였다.

실리콘 음극은 현존 차세대 음극 중에서 가장 상용화에 가깝게 다가선 기술로, 단위 무게당 이론용량이 최대 4,200mAh/g에 달해 기존 흑연 상용 음극 대비 10배가 넘는 이론용량을 갖는 초고용량 차세대 음극이다.

실리콘 전극 가열 전·후 전기화학 성능 비교. (출처=GIST)
실리콘 전극 가열 전·후 전기화학 성능 비교. (출처=GIST)

실리콘 음극은 기존 흑연 상용 음극 보다 이론적으로 10배가 넘는 에너지 밀도를 갖고 있을 뿐 아니라 경제적이고 친환경 소재로 차세대 음극으로 주목받고 있다.

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

최근 실리콘 음극의 성능 개선을 위한 재료 연구가 진행되고 있으나, 보다 실용적인 성능향상을 위해서는 생산단가가 낮고 대량 생산이 가능한 기술에 대한 연구가 필요하다. 실리콘 음극 상용화를 위한 실용적이고 대량 생산 가능성을 고려한 기술에 대한 연구가 부족한 실정이다.

본 연구팀은 간단한 전극 가열 공정을 적용하여 실리콘-구리 합금 반응 및 전극 바인더를 탄소화함으로써 실리콘 전극 전기 전도성 향상 및 충·방전 시 발생하는 전극 내 기계적 응력을 완화시키는데 성공하였다.

그 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 1,776 mAh/g 의 고용량을 유지하는 것을 확인했다.

실리콘-구리-탄소 합성 기술은 기존 실리콘 음극재 합성 기술 대비 간편한 가열 공정을 적용하였기에 합성 공정이 간단하고 대량 생산 가능성이 높다는 장점이 있다.

김형진 교수는 “이번 연구는 특히 실리콘과 이종 금속 간의 다양한 응용과 전극 가공 기술의 융합이 핵심이며, 실리콘 재료의 제한적인 사용을 뛰어넘어 이종 금속과의 복합물 연구 결과로, 향후 리튬이차전지의 성능향상에 기여할 수 있기를 바란다”고 말했다.  



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