리튬이온전지 대체할 고성능 소듐이온전지 음극용 복합소재 개발(에너지융합연구단 최원창 박사)

리튬이온전지 대체할

고성능 소듐이온전지 음극용 복합소재 개발

친환경 실리콘 오일을 이용한 소듐이온전지용 안티몬 복합소재 구현
리튬이온전지 대체할 높은 용량의 차세대 이차전지 시스템 기대

 

리튬이온전지(LIB, Lithum-ion battery)는 높은 에너지 밀도와 출력 밀도를 나타내 지난 20년 이상 동안 휴대기기와 같은 소형기기의 동력원뿐만 아니라 최근 하이브리드 자동차와 전기자동차의 대형 전력 저장용으로 그 이용범위가 확대되고 있다. 하지만 점점 고갈되고 있는 리튬 원료로 인해 리튬이온전지 대신 새로운 차세대 이차전지 시스템에 대한 개발이 화두이다. 리튬이온전지를 대체할 이차전지로는 자원이 풍부하여 저렴하고 친환경적이며 높은 용량을 가지는 소듐이온전지(SIB, Sodium-ion battery)의 음극 소재 개발에 대한 관심이 높아지고 있는데, 최근 국내 연구진이 간단한 합성방법을 통해 높은 전지용량을 가지는 소듐이온전지용 음극 복합소재를 개발했다고 밝혔다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 녹색도시기술연구소 에너지융합연구단 최원창 박사팀은 소듐이온전지의 음극용 소재로 기존에 보고된 합성법보다 더욱 저렴하고 간단한 방법을 통해 고성능의 안티몬(antimony) 입자들이 박혀있는 실리콘옥시카바이드 복합체를 합성하는데 성공했다.

<그림 1>안티몬 나노입자들이 박힌 실리콘옥시카바이드 복합체 합성 모식도
Step I. 실리콘 오일이 본연적으로 가지는 높은 점도(걸죽한 특성) 특성에 착안하여, 추가적인 화학물질 없이 30분 정도의 교반(stirring)만으로, 그림처럼 실리콘 오일안에 안티몬 전구체 파우더가 잘 분산된 상태. Step II 및 Step III. 상기 실리콘 오일안에 안티몬 전구체 파우더가 잘 분산된 상태 그대로, 간단히 대기 분위기의 400도 온도에서 6시간 동안 열처리(step II)를 수행한 후에, 이어서 900도에서 7시간 열처리를 하여 복합소재 구현. 최종 산물은, 나노 사이즈의 안티몬 나노입자들이 촘촘히 박힌 실리콘옥시카바이드 복합체임.

연구진은 복합체 음극물질을 구현하는 동시에, 충·방전 도중에 발생하는 안티몬 소재의 부피팽창을 억제할 수 있는 더욱 견고하고 탄성력을 지니는 복합물질을 개발하는데 성공하였다. 연구진이 개발한 음극용 복합체는 합성 시 별도의 추가 화학물질 첨가 없이, 실리콘 오일과 안티몬 파우더만을 이용하여, 실리콘옥시카바이드 소재 안에 안티몬 입자가 골고루 분산되어 있는 복합소재로, 간단하게 합성할 수 있어 향후 안티몬뿐만 아닌 다양한 소듐이차전지용 합금계 음극 복합체 개발에 도움이 될 전망이다. 소듐(나트륨) 자원은 리튬과 달리 광물뿐만 아니라 해수에 다량 함유되어 있어 자원이 고갈될 염려가 없고, 리튬과 비슷한 화학성질을 지녀 소듐이온전지를 개발하려는 연구가 활발하게 진행되었다. 그러나 소듐이온은 리튬이온보다 원자번호가 크고 이온반경이 크기 때문에, 현재 리튬이온전지의 상용 음극으로 사용되는 흑연 소재를 소듐이온전지의 음극 소재로 적용이 불가능하다는 단점이 있었다. 최근 학계의 발표에 따르면, 안티몬 소재는 기존 리튬이온전지 상용 음극소재인 탄소계 음극물질보다 2배 정도 높은 용량을 가지고 있어 리튬이온전지 및 소듐이온전지의 유망한 음극소재로 주목 받고 있지만, 전지의 충·방전 과정 중 발생하는 안티몬 소재의 물리적인 부피 팽창으로 인한 소재의 열화가 심각하다는 단점이 있었다. 본 연구팀은 이러한 문제점들을 해결하기 위해, 액체 형태인 실리콘 오일 안에 고체 형태의 안티몬 나노입자를 분산시킨 후, 한 번의 열처리 공정을 통하여 실리콘옥시카바이드/안티몬 복합소재를 합성하였다.

<그림 2> 안티몬 나노입자가 박힌 실리콘옥시카바이드 복합체의 투과전자현미경 이미지

이 복합소재는 실리콘 오일 자체의 높은 점도를 활용하였기 때문에, 추가적인 화학물질 없이 열처리만으로 실리콘 옥시카바이드 소재 내에 안티몬 나노입자가 잘 분산된 복합소재의 구현이 가능하였다. 연구진은 개발한 복합소재를 소듐이온전지의 음극소재로서 적용하였을 때, 안티몬 입자의 부피 팽창 혹은 입자간 뭉침을 효과적으로 억제하여 250회 이상 전지의 충·방전 시 97% 성능을 유지하는 것을 확인했다.

<그림 3> 안티몬 나노입자들이 박힌 실리콘옥시카바이드 복합체의 전기화학적 특성 (전지특성) 상단 그래프:　본 연구의 복합소재 경우,전지의 충방전을 200회이상 반복하여도 전지용량의 성능저하가 거의 없음. (250회 충방전을 반복하여도, 초기 성능의 97%를 유지함.) 좌하단 그래프:　20C와 같은 빠른 충방전 경우에도, 전지용량의 감소없이 우수한 출력 특성을 나타냄. (20C의 충방전 조건은, 3분안에 급속충전 및 급속 방전을 수행하는 조건에 해당함) 우하단 그래프:　2C과 같은 충방전 조건에서, 충방전을 100회이상 반복하여도 전지용량의 성능 저하가 거의 없음. (2C의 충방전 조건은, 30분안에 충전 및 방전을 수행하는 조건에 해당함. 이러한 충방전을 100회 반복하더라도, 전지 성증의 저하가 거의 없음.)

KIST 최원창 박사는 “본 연구의 실리콘 오일을 이용한 복합체 합성법은 안티몬 뿐만  아닌 다른 합금계 음극소재에 적용 가능하여, 다양한 이차전지 복합 음극소재를 개발 할 수 있다” 고 말했다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업(녹색도시기술플래그십연구사업)으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’(IF:12.124)에 9월 13일자 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) One-Pot Synthesis of Antimony-Embedded Silicon Oxycarbide Materials for High-Performance Sodium-Ion Batteries
  - (제1저자)  한국과학기술연구원 이용호 박사 과정 (고려대학교 박사학연과정)
  - (교신저자) 한국과학기술연구원 최원창 박사