실리콘 음극재 상용화 해답 찾았다... “입자 크기 조절에 달려”

조재필 UNIST 특훈교수 연구진, ‘네이처 에너지’에 리뷰 논문 게재

국내 연구진이 상용화된 전지에 적용할 수 있는 실리콘 음극재의 분석 프로토콜을 제시했다.

조재필 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 특훈교수 연구진은 29일 “이차전지 소재로 가장 주목받는 실리콘 음극 물질들이 상용화 전지에 사용되기 위해 확보해야 할 특성과 문제점을 알아냈다”고 밝혔다.

실리콘 음극재는 충·방전 시 흑연 대비 5배 이상 부피가 팽창하고 수축하며 부서짐 현상이 발생한다. 이에 따라 전해액과의 분해 반응이 빨라지고 표면 막이 두껍게 형성돼 리튬이온의 이동을 저해한다. 결과적으로 배터리의 수명이 낮아진다.

특히 전기자동차의 배터리 음극으로는 마이크로미터(100만분의 1m) 크기의 입자인 실리콘산화물계(SiOx) 계통의 실리콘 소재를 사용한다. 전체에서 5% 미만을 차지하지만 소재의 초기효율이 80%대에 불과하고 전도도가 낮아 고속 충전에 한계가 있다.

연구진은 이처럼 개발 단계의 실리콘 소재들은 초기 효율이 86% 이하로 흑연이 94%인 것에 비해 낮아 양극의 사용 효율을 떨어뜨린다는 문제점을 지적했다. 실리콘 소재는 입자가 커질수록 효율 저하와 부서짐 현상이 빨라져 수명이 급격히 줄어들고 가스가 발생한다고도 분석했다.

연구진은 “실리콘 입자의 크기를 5나노미터(㎚, 1㎚는 10억분의 1m)이하로 줄여 전도성 탄소 입자에 균일하게 분산하는 기술이 유일한 해결책”이라고 정리했다. 연구진은 2021년 12월에 원료 물질들을 기체 상태로 탄소 복합입자에 증착해 실리콘 입자크기를 1㎚이하로 줄이는 합성 기술을 개발했다고 밝힌 바 있다. 당시 이 방법을 적용하면 소재의 초기효율을 90% 이상으로 높이고 수명을 크게 개선할 수 있는 것을 확인했다.

조 교수는 ”현재 전문 학술지에 보고되고 있는 실리콘 음극재의 평가 방법이 한정되어 있어 상용화 가능성 등의 여부를 판단하기 힘들다”며 “이번 논문을 통해 상용화에 적용할 수 있는 실리콘 음극재에 대한 개발이 더욱더 활발하게 이루어질 것”이라고 밝혔다.

이번 논문은 네이처 에너지 편집장의 초청으로 작성됐다. 조 교수와 함께 성재경 경상국립대 금속재료공학전공 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

이번 연구 결과는 에너지 분야의 권위 학술지인 국제 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’의 리뷰 논문으로 28일 공개됐다.

참고 자료

Nature Energy(2023), DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-023-01333-5

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