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  • 기사등록 2019-11-14 12:00:04
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[기계신문] 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부이현욱‧류정기 교수 연구팀이 차세대 리튬이온전지 음극재로 주목받는 ‘실리콘’의 단점을 보완한 복합 음극재 제조기술을 개발했다.


화석연료 사용이 경제적·환경적인 문제를 야기하면서 신재생에너지에 대한 관심과 수요가 급증했다. 이와 함께 신재생에너지를 저장해 둘 수 있는 이차전지의 필요성도 커지고 있다.


특히 리튬 이차전지는 에너지 밀도가 높고, 수명이 길며, 자가 방전율이 낮아 휴대용 전자기기와 에너지 저장장치(ESS), 전기자동차의 핵심 부품으로 널리 활용되고 있다. 하지만 여전히 높은 소비자들의 기대치를 충족하기 위해 고전압·고용량 전지를 위한 연구가 필요하다.


음극재는 2차전지 충전 때 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 소재로서, 음극재로 가장 많이 사용되는 흑연은 부피당 용량이 적은 한계로 인해 고용량 구현이 어려워 대체재 연구가 진행되어 왔다.


여러 후보 중 ‘실리콘’은 상용화된 흑연에 비해 10배 이상의 이론 에너지 밀도를 가지고 있으나, 전기 전도도가 낮고 충전과 방전이 반복될수록 4배 정도 부피가 팽창한다. 이로 인해 전극을 구성하는 입자가 부서지면서 전극의 성능을 감소시키는 문제로 상용화에 어려움을 겪고 있다.



▲ 점토광물 기반의 실리콘 나노 튜브 합성 공정 개략도



이런 문제들을 해결하기 위해 국내외에서 실리콘 음극재의 부피팽창 억제 및 흑연 등 다른 소재와의 복합화 연구가 활발하게 진행되었다. 하지만 실리콘-흑연 복합체 음극의 경우, 흑연이 최대로 수용할 수 있는 실리콘의 함량은 최대 15%까지로 제한되어 있다. 따라서 실제 같은 크기 배터리에서 더 높은 에너지 밀도를 확보하기 위해서는 고함량의 실리콘-흑연 복합체 음극재의 개발이 필요하다.


연구팀은 나노튜브 구조의 점토광물을 가공해 실리콘 나노튜브를 만들고, 표면에 탄소층을 코팅한 뒤 흑연과 복합화하는 방식으로 새로운 실리콘-흑연 복합체 전극을 제작하였다. 점토광물은 점토를 구성하는 광물로 표면적이 크고, 반응성이 풍부하다.


일반 원형의 실리콘 나노입자는 충·방전시 약 4배 가량 부피가 팽창, 완충구조가 없을 경우 입자가 파괴될 수 있다. 때문에 기존 전극들은 팽창률을 고려해 실리콘 함량을 최대 15% 미만으로 제한했다.


하지만 연구팀이 제작한 실리콘 나노튜브는 튜브 내부의 빈 공간이 충·방전 과정 중의 부피 변화를 완충, 실리콘 함량을 기존 14%에서 42%까지 대폭 높일 수 있었다. 실리콘 함량의 증가는 에너지 밀도 향상과 직결되기 때문에 의미가 있다.


아울러 희귀금속 등이 아닌  점토광물을 원재료로 하기 때문에 제작비용을 크게 낮출 수 있으며, 표면을 탄소로 코팅함으로써 반복되는 충·방전 실험에서도 우수한 안정성을 확보할 수 있었다.



▲ 제조된 실리콘 나노 튜브-흑연 복합체 음극의 특성 분석과 전지 성능 평가



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 설명했다.


이번 연구는 실리콘 음극재의 고질적인 문제인 충전 중 부피 팽창을 완화하여 구조적 안정성을 향상시켰다. 이 기술로 만든 음극을 실제 전지에 적용해 전자기기를 작동하는 데도 성공했다. 간단하고 빠른 합성 공정을 통해 고함량의 실리콘-흑연 복합재 음극을 만들고 적용함으로써 차세대 리튬 이차전지의 에너지 밀도 향상을 한 걸음 앞당긴 것이다.


특히 실리콘-흑연 복합재 음극의 수명과 안정성을 향상시킴과 더불어 기존 연구에서 다뤄왔던 높은 부피당 에너지 저장 용량의 실리콘-흑연 복합체를 개발했다는 데 의미가 크다. 이 기술은 향후 대용량 에너지 저장 장치(ESS)나 전기자동차에서 요구되는 고용량 아차전지용 음극물질 개발에도 기여할 전망이다.


한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구자사업과 기후변화대응기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 11월 1일자로 게재됐다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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