'질소+탄소나노튜브'로 이차전지 음극재 성능·안정성 모두 잡았다

KERI, 실리콘-질소 도핑 카본 복합음극재 개발

한중탁 박사(왼쪽)와 이도근 학생연구원이 각각 질소 도핑 단일벽 탄소나노튜브 모형과 복합음극재를 들어 보이고 있다.

한국전기연구원(KERI) 나노융합연구센터 한중탁 박사와 이도근 학생연구원이 리튬이온전지 음극재의 고용량·고안정성을 확보하는 '실리콘-질소도핑 카본 복합음극재' 제조 기술을 개발했다.

실리콘은 리튬이온전지 기존 음극 소재인 흑연보다 에너지 밀도가 약 10배 이상 높지만 지속적인 충·방전 시 부피가 3~4배 팽창한다는 단점이 있다. 특히 실리콘 입자는 쉽게 부서져 전지 성능을 감소시키기 때문에 단독으로 음극재에 활용하기 힘들어 흑연에 실리콘을 일부 첨가해 서로의 장단점을 보완하는 기술이 개발 중이다.

학계에서는 실리콘 문제를 미래 신소재인 탄소나노소재에서 찾고 있다. 한 박사 연구팀도 질소를 도핑한 단일벽 탄소나노튜브와 그래핀으로 실리콘 한계를 극복하는 방안을 떠올렸다. 탄소나노튜브는 다중벽과 단일벽으로 나뉘는데 벽이 한 개인 단일벽이 가늘고 투명해 물성과 전기전도성이 훨씬 좋다. 또 질소는 리튬이온과 친화도가 높고 전기화학적으로 안정된 원소다.

이들을 실리콘 복합음극재에 적용할 경우 이론적으로는 좋은 궁합이지만 탄소나노튜브는 서로 뭉치려는 성질이 있어 상용화를 위해서는 이를 분산하는 기술이 반드시 필요하다. 특히 단일벽 탄소나노튜브는 지름이 1~2나노미터(㎚, 10억분의 1m)에 불과하기 때문에 다중벽보다 분산이 더욱 어렵다.

연구팀은 10여년 이상 축적해온 나노융합 기술을 바탕으로 밀가루를 반죽하는 방식과 유사하게 단일벽 탄소나노튜브를 분산하는 획기적인 기술을 세계 최초로 개발했다. 나아가 해당 기술을 통해 리튬이온을 좋아하는 질소를 탄소 사이사이에 효과적으로 도핑하는 데도 성공했다.

이렇게 개발한 질소 도핑 단일벽 탄소나노튜브를 리튬이온전지 음극재에 적용하면 리튬이온이 실리콘으로 이동하는 속도를 높여 충전 속도를 높이고 충·방전 사이클 안정성을 향상시키는 효과가 있다. 연구팀은 이에 더해 음극재 외부를 전기 전도성과 기계적 강도가 높은 그물망 구조의 그래핀으로 감싸 실리콘 부피팽창을 억제하는 안정성도 확보했다.

연구팀은 리튬이온전지 충·방전 100회 실험을 거친 결과 기존 실리콘 복합음극재가 적용된 리튬이온전지가 30% 정도만 전지 성능이 남은 반면 실리콘-질소 도핑 카본 복합음극재가 적용된 전지는 82% 이상 성능을 유지한 것을 확인했다.

한 박사는 “개발한 탄소나노소재 복합음극재는 실리콘의 단점을 메우고 고용량이 장시간 안정적으로 유지되는 장점이 있다”면서 “전지 전극 전도성과 성능을 높이기 위해 기존에 첨가하던 카본블랙과 같은 도전재를 넣지 않아도 될 수준”이라고 설명했다.

연구팀은 이번 기술이 리튬 확산속도가 중요한 전고체전지 음극에도 활용이 가능할 것으로 보고 있다. KERI는 개발한 복합음극재가 적용된 리튬이온전지 풀 셀에 대한 평가를 마무리하고 특허출원까지 완료했다. 관련 기술이 고용량 리튬이온전지가 필요한 기업들의 많은 관심을 받을 것으로 보고 수요 기업을 발굴해 기술이전을 추진할 계획이다.

창원=노동균기자 defrost@etnews.com