UNIST(울산과학기술원)는 에너지화학공학과 조재필 특훈교수팀이 상용화된 전지에 적용 가능한 실리콘 음극재를 평가할 수 있는 분석 프로토콜을 제시했다고 29일 밝혔다.
연구팀은 에너지 분야 국제 학술지 ‘네이처 에너지’(Nature Energy)에 실은 리뷰 논문에서 이차전지 소재로 가장 주목받는 실리콘 음극 물질들이 상용화 전지에 사용되기 위해 확보해야 할 특성과 문제점을 분석했다.
실리콘 음극재는 충·방전 시 흑연 대비 5배 이상 부피 팽창과 수축으로 부서짐 현상이 발생한다. 이 때문에 전해액과의 분해 반응이 가속화되고, 표면 막이 두껍게 형성되면서 리튬 이온 이동을 저해해 수명이 줄어든다.
전기자동차의 배터리 음극에서 사용되는 실리콘 소재는 미크론(1미크론은 100만분의 1곒) 크기 입자인 SiOx 계통으로, 5% 미만 함유돼 있다. 그러나 소재의 초기 효율이 80%대에 전도도까지 낮아 고속 충전에 문제가 있다.
연구팀은 개발 중인 실리콘 소재들은 초기 효율이 86% 이하로 94%인 흑연에 비해 낮아 양극의 사용 효율을 감소시킨다는 문제점을 지적했다.
또 실리콘 소재는 입자가 커질수록 효율이 저하되고, 부피가 팽창·수축하며 생기는 부서짐 현상이 가속화돼 급격한 수명 저하와 가스 발생으로 이어진다고도 분석했다.
연구팀은 실리콘 크기를 5나노미터(㎚·10억분의 1곒) 이하로 줄여 전도성 탄소 입자에 균일하게 분산하는 기술이 유일한 해결책이라고 제시했다.
연구팀은 2021년 12월 발표한 논문에서 원료 물질들을 기체상에서 탄소 복합입자에 증착해 실리콘 입자 크기를 1나노미터 이하로 줄이는 합성 기술을 발표한 바 있다.
이를 통해 소재 초기 효율을 90% 이상 구현하고, 수명이 크게 개선됨을 확인했다.
조재필 교수는 “현재 전문 학술지에 보고되고 있는 실리콘 음극재 평가 방법이 다소 한정돼 상용화 가능성 등의 여부를 판단하기 힘든 문제점이 있다”며 “이번 논문을 통해 상용화할 수 있는 실리콘 음극재에 대한 개발이 더욱 활발하게 이뤄질 것”이라고 말했다.
이번 리뷰 논문은 네이처 에너지 편집장의 초청으로 작성돼 28일(현지 시간) 공개됐으며, 경상대 성재경 교수가 공동교신저자로 참여했다. 차형석기자 stevecha@ksilbo.co.kr
