홍지현·정향수·이민아(왼쪽부터) KIST 선임연구원/KIST 제공

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터 이민아 박사, 에너지소재연구센터 홍지현 박사, 수소·연료전지연구센터 정향수 박사 공동연구팀이 기존 대비 2.6배 이상의 용량을 갖는 음극 소재를 제작하는 데 성공했다.
연구팀은 리튬 배터리의 흑연·실리콘 복합음극 제작과정에 활용할 수 있는 전처리 용액을 개발해 실리콘 함량을 50% 이상으로 올려 음극의 용량을 늘렸다.
실리콘은 현재 통용되고 있는 흑연보다 에너지 저장능력이 5~10배 높아 차세대 음극 소재로 거론되고 있다.
하지만 실리콘은 흑연에 비해 3배가량 많은 양의 리튬을 소모하는 것이 문제점이다.
이를 상호 보완한 흑연·실리콘 복합전극이 대안으로 등장하고 있다.
실리콘의 높은 용량과 흑연의 우수한 수명특성을 살리기 위한 것이다.
문제는 흑연·실리콘 복합음극은 실리콘의 함량이 높을수록 용량은 커지지만 초기 손실도 함께 높아진다.
리튬이 손실되면, 사용할 수 있는 배터리 용량도 줄어들게 된다.
이를 해결하기 위해 손실될 리튬을 음극에 미리 추가로 공급해주는 사전리튬화 방법이 연구되고 있다.
이민아 박사팀은 전극을 특수한 용액에 담갔다 빼는 공정을 개발해 실리콘 전극의 초기 리튬 소모를 차단한 바 있다.
연구팀은 해당 공정을 상용화 가능성이 큰 흑연·실리콘 혼합소재에 시도했다.
기존의 실리콘 소재용 전처리 용액을 사용할 경우 흑연구조 내부로 용액 내의 리튬이온이 아닌 다른 물질이 함께 들어가 흑연의 구조가 파괴됐다.
연구팀은 새로운 조성의 용액을 개발해 실리콘과 흑연이 혼합된 전극에서도 안정적으로 손실될 리튬을 공급할 수 있게 됐다.
흑연·실리콘 전극을 해당 용액에 1분 정도 담그면, 실리콘의 비율을 50%까지 올려도 초기 리튬 소모 현상을 완전히 차단했다.
첫 충전 시 1% 이하의 리튬을 소모해 100%에 가까운 높은 초기효율을 보였다.
이를 이용해 개발한 전극은 기존 흑연만을 사용한 음극에 비해 약 2.6배 높은 용량을 가지게 됐다.
250회 충·방전하는 내구성 시험 후에도 87.3%의 용량이 유지되는 우수한 수명 특성을 보였다.
이번 기술은 리튬 이온의 초기 손실을 막아내 스마트폰의 사용 시간이나 전기차의 주행거리를 획기적으로 늘리기 위한 핵심 기술로 평가받는다.

 탄소-실리콘 복합음극용 전처리 용액/KIST 제공

연구팀은 “이번 연구를 통해 현재 15% 이내에 머물던 흑연·실리콘 복합 음극 내 실리콘 함량을 50% 이상으로도 올릴 수 있다”며 “향후 전기자동차의 주행거리를 획기적으로 늘리는 데 활용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 화학 분야 국제학술지 ‘저널 오브 디 아메리칸 케미컬 소사이어티(Journal of the American Chemical Society)’ 최신호에 게재됐다.

[저작권자ⓒ 에너지단열경제. 무단전재-재배포 금지]