흑연 한계 넘는 실리콘 음극재 개발… “리튬이온전지 성능 개선”

성균관대, 실리콘 기반 합금 소재로 성능 저하 문제 해결

박호석 성균관대 화학공학과 교수./한국연구재단

리튬이온전지의 에너지밀도를 향상시킬 수 있는 실리콘 음극재가 나왔다. 현재 상용 음극재로 사용되고 있는 흑연의 용량 한계를 극복할 것으로 기대되고 있다.

한국연구재단은 박호석 성균관대 화학공학과 교수 연구진이 실리콘 기반 합금 소재를 이용해 고용량, 장수명의 리튬이온전지 음극재를 개발했다고 27일 밝혔다. 음극재는 배터리 충전 과정에서 리튬을 저장하고, 방전 과정에서는 리튬을 방출하는 소재다.

글로벌 전기차 시장이 커지면서 배터리 기술 경쟁도 치열해지고 있다. 특히 주로 쓰이는 흑연 음극재의 용량 한계(이론용량 372mAh/g)를 극복하기 위해 고용량 실리콘 음극재(이론용량 4200mAh/g)로 대체하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 실리콘 소재는 전기전도도가 낮고 충·방전을 반복하면 부피가 팽창해 장기 안정성이 저하된다는 문제점이 있다.

연구진은 다양한 조성의 원소들로 이루어진 실리콘 기반의 합금 소재를 개발했다. 배터리 용량을 높일 수 있는 실리콘과 고반응성의 인, 리튬이온 전도성이 빠른 게르마늄, 자가 복원력을 가진 액체 금속 갈륨을 섞어 고엔트로피 합금(high entropy alloy)을 만들었다. 고엔트로피 합금은 주된 원소 없이 여러 원소를 5% 이상으로 혼합한 소재로, 합금 조합에 따라 다양한 물성을 구현할 수 있다.

개발한 합금 소재는 충·방전을 2000회 반복한 이후에도 1121mAh/g의 높은 용량을 유지하는 것으로 나타났다. 고전류 밀도에서도 949mAh/g의 높은 율속 용량을 보였다. 율속은 충·방전 속도에 따라 용량 유지율이 좋아지거나 나빠지는 특성을 말한다.

박호석 교수는 “이번 연구는 리튬이온전지 에너지밀도를 향상시키기 위한 핵심 소재인 실리콘의 문제점을 해결할 방안을 제시했을 뿐만 아니라, 고엔트로피 합금 소재를 반응성이 높은 인(P) 원자에서도 처음으로 구현하였다는 점에서 의의가 있다”고 밝혔다.

연구진은 다양한 조합의 고엔트로피 소재를 합성해 구조와 조성 최적화, 배터리 성능 향상을 위한 양극 최적화를 포함한 추가 연구를 수행할 계획이다.

이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 지난 4월 16일 게재됐다.

참고 자료

Energy & Environmental Science(2024), DOI: https://doi.org/10.1039/D3EE02392C

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