새로운 실리콘 음극재 개발로 배터리를 부피팽창 없이 오래 쓴다(에너지융합연구단 정훈기 박사)

새로운 실리콘 음극재 개발로

배터리를 부피팽창 없이 오래 쓴다

실리콘 나노입자를 내장(embedding)한 음극재로 부피 팽창 억제 
500회 이상의 안정적인 충·방전 가능, 기존 흑연 음극재 성능 뛰어넘어

 

리튬이온전지는 1990년대 소니(SONY)에 의해 최초로 상용화되어 현재 휴대폰, 노트북의 소형 전원에서 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage Systems) 등의 대용량 전원까지 활용되고 있으며, 그 수요가 증가하고 있다. 이에 리튬이온전지의 성능(에너지밀도)을 증대시키기 위해 양극 소재에 대한 개발이 활발히 진행되어 고용량의 양극 소재가 적용되고 있으나, 음극 소재는 상용화 후 30년 가까이 지난 지금까지도 흑연 소재 음극재(약 370mAh/g)를 사용하고 있어 한계에 가까워진 실정이다. 최근 국내 연구진이 흑연 음극재를 대체할 실리콘 기반의 음극재를 개발하여 리튬이온전지의 성능(에너지 밀도)과 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다고 밝혔다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 녹색도시기술연구소 에너지융합연구단 정훈기 박사 연구팀은 기존 실리콘 기반 음극재 상용화의 기술적 장벽이었던 부피 팽창 문제를 획기적으로 해결하는 방법으로 단단한 다공성 구형 탄소 구조체에 실리콘 나노입자를 내장(embedding)시킨 음극재를 개발하였다.

(그림)제조된 실리콘계 음극재 소재의 미세구조, 충방전시 실리콘 나노입자의 거동 분석 결과 및 모식도, 리튬이온전지 성능 특성 평가 결과

이론적으로 실리콘 기반 음극재는 상용화된 흑연계 음극재보다 10배 이상의 높은 용량을 가진다고 알려져 있으며, 세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 그러나 실리콘 음극재는 충전과 방전을 반복함에 따라 약 4배 정도의 부피 변화를 동반하고 심지어 입자가 부서지거나 전극이 벗겨짐으로 인해 전지 성능을 급격히 감소시키는 문제가 상용화에 걸림돌이 되어왔다.
 
그동안 리튬이온전지로의 상용화를 위해 실리콘 음극재의 부피팽창을 억제하는 연구로는 전도성 소재의 표면 코팅, 다공성 실리콘 입자 기술 등 많은 공정을 거치는 방법으로 고성능과 안정된 충·방전 성능을 구현해왔다. 그러나 KIST 연구진은 간단한 수열합성방법이라는 한 번의 공정만으로 단단한 구형의 다공성 탄소 입자 내에 50 나노(nm) 이하의 실리콘 나노 입자를 캡슐화 및 고정화시켜 내장함으로서 ‘실리콘 내장 탄소 복합 재료’(Silicon Nanoparticles Embedded in Micro-Carbon Sphere Framework)를 개발하였다. 연구진은 ‘실리콘 내장 탄소 복합재료’를 음극재로 이용하여, 충·방전 시 실리콘 나노 입자의 부피 팽창을 한정된 공간인 다공성 탄소 입자 기공 내에 일어나도록 유도함으로서 전극의 벗겨짐 현상 또는 부피 팽창을 억제하여 성능 저하를 최소화 시켰다. 동시에 반복되는 충·방전을 통해 실리콘 나노 입자의 부피가 팽창하면서 점점 더 작은 크기로 부서져, 다공성 탄소 기공 내에 안정적인 위치로의 재배치가 이루어지게 하여 부피팽창 없이 500회(cycle) 이상 안정적인 충·방전이 가능한 성능을 구현하였다. 또한 연구진은 개발된 실리콘 음극재가 기존의 흑연계 음극재의 성능에 비해 4배 가량 상회하는 것을 확인함으로서, 배터리의 오랜 수명과 고출력을 구현하는데 성공했다.

 

본 연구를 주도한 KIST 정훈기 박사는 “이번 연구는 실리콘 음극재의 구조적 안정성과 고성능을 동시에 확보한 결과”라고 말하며, “안전하고 오래 쓸 수 있는 리튬이온전지용 실리콘 음극재의 상용화를 앞당겨, 향후 고용량 리튬이온전지가 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)으로의 적용을 기대한다.”고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 영펠로우(Young Fellow) 사업, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업(과제책임자, KIST 정훈기) 등을 통해 수행되었으며, 연구결과는 나노기술 분야의 국제학술지 ‘Nano Letters’(IF:12.712)에  8월 28일 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) Self-Rearrangement of Silicon Nanoparticles Embedded in Micro-Carbon Sphere Framework for High-Energy and Long-Life Lithium-Ion Batteries
    - (제1저자)  한국과학기술연구원 정민기 학생연구원(한양대학교 박사과정)
    - (교신저자) 한국과학기술연구원 정훈기 박사