국내 연구진, 리튬이온전지용 고에너지밀도 음극재 기술 개발

[이데일리 이연호 기자] 한국연구재단은 이현욱·류정기 UNIST 교수 연구팀이 차세대 리튬이온전지 음극재로 주목받는 실리콘의 단점을 보완한 복합 음극재 제조기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 향후 대용량에너지저장장치(ESS)나 전기자동차에서 요구되는 고용량 이차전지용 음극물질 개발에 실마리가 될 수 있을 것으로 기대된다.

점토광물 기반의 실리콘 나노 튜브 합성 공정 개략도. (a) 점토광물로부터 열적/화학적 처리를 통한 실리콘 나노 튜브 합성 및 탄소층 코팅처리 과정을 거쳐 탄소코팅 실리콘 나노튜브를 합성하는 공정에 대한 모식도. (b) 구형 실리콘 나노 입자의 경우 반복적인 리튬과의 합금 반응 후에 입자의 파괴가 일어난다. (c) 실리콘 나노 튜브의 경우 튜브 내부 빈 공간을 이용한 부피 팽창 완화가 가능해 반복적인 충/방전 후에도 안정적으로 실리콘 입자 및 전극의 구조 유지가 가능하다. 그림=한국연구재단.

음극재로 가장 많이 사용되는 흑연은 부피당 용량이 적은 한계로 인해 고용량 구현이 어려워 대체재 연구가 추진 중이다.

흑연에 비해 10배 이상 에너지 밀도가 높은 실리콘이 대안으로 주목받지만 실리콘의 낮은 전기전도도와 충·방전이 반복될수록 부피가 팽창해 전극 성능이 감소되는 문제가 있어 상용화가 어려웠다.

연구팀은 나노튜브 구조의 점토광물(고령토에서 발견되는 할로이사이트)을 가공해 실리콘 나노튜브를 만들고 표면에 탄소층을 코팅한 뒤 흑연과 복합화하는 방식으로 새로운 실리콘-흑연 복합체 전극을 제작했다.

일반 구(球)형의 실리콘 나노입자는 충·방전시 약 4배 가량 부피가 팽창해 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 완충해 실리콘 함량을 기존 14%에서 42%까지 대폭 높일 수 있었다. 실리콘 함량의 증가는 에너지 밀도 향상과 직결되기 때문에 의미가 있다는 평가다.

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

이현욱 교수는 “높은 에너지 밀도를 갖는 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 밀했다.

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