경상국립대 성재경 교수팀, '실리콘-흑연 음극재 활용 전략' 분석

경상국립대 나노신소재공학부 성재경 교수 연구팀은 고용량 실리콘-흑연 복합 음극재의 효율적인 활용 전략을 제시함으로써 고에너지밀도와 고안정성 배터리 개발의 기반을 마련했다. 

이 연구 결과는 국제학술지인 '강연만 기자 kk77@kukinews.com(Chemical Engineering Jounal)'(IF: 13.3)에 11월 9일 자로 발표됐다(논문명: 리튬이온 배터리의 실리콘/흑연 양극 전략의 효능 평가(Evaluating the efficacy of strategies for silicon/graphite anodes in Li-ion batteries)).

고에너지밀도 배터리를 제조하기 위해 고용량 음극재 실리콘(-3578 mAh/g)의 연구가 주목받고 있으나, 충·방전 시 발생하는 부피 변화(-300%)로 인해 상용화에 어려움이 존재한다. 

이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 형태의 실리콘 음극 복합재에 대한 개발이 활발히 이루어져 왔으며, 본 복합재와 상용 음극재인 흑연(372 mAh/g)을 혼합해 사용하고 있다. 

이러한 실리콘 흑연 기반의 극판은 기존 흑연 음극재보다 높은 용량을 가지며 부피 변화가 완화돼 차세대 음극재로 주목받고 있다. 그러나, 극판에 포함된 실리콘 음극재 함량이 제한(<15wt%,<500mAh/g)돼 고에너지 밀도 배터리 구현에는 어려움이 있었다.

성재경 교수 연구팀은 실란(Silane, SiH4) 가스를 이용한 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 방법으로 상용화 흑연 표면에 고순도 실리콘을 균일하게 증착하고 두께를 조절해 다양한 용량을 갖는 실리콘 복합재 합성 기술을 제안했다. 

또한 다양한 용량을 갖는 실리콘 복합재와 흑연 음극재를 화학적 및 기계적 방식으로 혼합해 우수한 전기화학 특성(급속 충·방전, 수명 특성 등)을 갖는 실리콘-흑연 전극 제조 기술을 개발 및 분석했다. 이를 통해, 실리콘 흑연 기판의 전극에서 실리콘의 함량을 대폭(>30wt%,>650mAh/g) 증가시켜 배터리의 에너지 밀도를 대폭 증가(전기자동차 주행거리 향상)시킬 수 있었다.

제1저자 김석진 연구원은 "이번 연구의 핵심은 실리콘-흑연 음극재 제조 방법에 따른 단순성능 비교 수준의 연구개발을 넘어, 제조 방법의 효율성과 전기화학적 성능 영향을 미칠 수 있는 요인 간의 관계를 분석한 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 차세대 음극재인 고용량 실리콘-흑연 음극재를 사용한 고에너지밀도/고안정성 배터리의 실현 가능성을 높여 주고, 상용화 배터리 적용 가능성을 제시함으로써 미래의 전기차(EV)를 포함한 에너지저장시스템(ESS, Energy storage system), 인공지능형 로봇(Ai robot), 도심형 항공기(UAM) 등에 다방면으로 활용될 것으로 보인다. 

진주=강연만 기자 kk77@kukinews.com

강연만 기자 kk77@kukinews.com