KAIST, 전자전도도 퇴화 나노스케일 영상화 성공...이차전지 음극 고도화 '기대'

도전재 종류에 따른 130 사이클 전, 후 C-AFM 결과 비교

고에너지 밀도를 갖는 리튬이차전지 개발 수요가 폭발적으로 증가하면서, 실리콘 기반 음극 개발 연구가 활발하다. 실리콘 활물질은 기존 음극 활물질인 흑연 대비 높은 용량 값을 지녀, 고에너지 밀도를 가지는 리튬이차전지용 음극의 유력한 후보로 자리 잡고 있다.

하지만 충전 및 방전 간 400%에 달하는 높은 부피 팽창·수축률이 상업화를 방해한다. 전극 내 전자 전달 시스템에 큰 악영향을 미친다. 따라서 전극 내 전자 전도 채널의 확보가 필수지만, 이를 나노스케일 수준으로 영상화하는 방법론 연구가 미진하다.

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 홍승범 신소재공학과 교수팀이 LG에너지솔루션과 협업해 나노스케일 분해능으로 전극 내 전자 전도 채널을 왜곡 신호 없이 정량 추출하는 방법론 개발에 성공했다고 8일 밝혔다.

연구팀은 전극 소재와 같이 표면 거칠기가 큰 시료에서 전도성 원자간력현미경(C-AFM) 운용 시 발생하는 왜곡 정보인 '용량성 전류' 원인을 규명하고 피어슨 상관 분석 방법 기반으로 해당 왜곡 정보를 제거했다. 도전재 성분에 따른 전자 전도 채널 영상화를 실시했으며 단일벽 탄소나노튜브(SWNCT)가 적용된 전극의 전기적, 전기화학적 우수성 입증에 성공했다.

이번 연구를 통해 실리콘 기반 전극과 같이 활물질의 부피 변화가 큰 시스템에서는 SWCNT가 안정적인 전자 전도 채널 확보에 유리함을 보였다. 또 SWCNT 포함 복합 전극의 경우, 130 사이클 이후에도 활물질 분쇄가 더 억제됐음을 보여주며, 전자 전도 채널 불균일성이 활물질 구조적 안정성에도 영향을 미칠 수 있음을 가설을 들어 설명했다.

제1 저자 박건 박사과정은 “전자 전도 채널 불균일이 유발한 전극의 전기화학 특성 퇴화라는 주제로 후속 연구를 진행 중”이라고 밝혔다.

홍승범 교수는 “왜곡 신호 원인을 규명하고, 이를 정량적으로 제거하는 연구는 영상화 분야에서 매우 중요하다”며 “이번에 개발한 방법론이 전극 내 전자 전도 채널을 강화하는데 적용돼, 실리콘 기반 복합 음극 고도화를 앞당기는 데 도움이 되면 좋겠다”고 말했다.

이번 연구는 국제 학술지 '에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 앤드 인터페이시스'에 게재됐다.

한편 이번 연구는 LG에너지솔루션-KAIST 프론티어 리서치 랩과 KAIST 글로벌 특이점 사업의 지원을 받아 수행됐다.

김영준기자 kyj85@etnews.com