금오공대, 고성능 실리콘 음극 소재 개발…리튬이온·전고체전지에 모두 적용 가능

국내 연구팀이 기존 실리콘 음극의 가장 큰 한계로 꼽혀온 부피 팽창과 낮은 전도도 문제를 동시에 해결한 기술을 개발했다. 차세대 고에너지밀도 배터리 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다.

국립금오공과대학교는 박철민 재료공학부(신소재공학전공) 교수와 최인철 교수로 구성된 공동 연구팀이 리튬이온전지와 전고체전지에 모두 적용 가능한 '고성능 실리콘 음극 소재'를 개발했다고 밝혔다.

(왼쪽부터) 박철민 교수, 최인철 교수, 이영한·김반석 연구원

현재 상용 리튬이온전지의 음극으로 사용되는 흑연은 안정성이 높지만 용량이 제한적이어서 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등 고에너지 응용 분야에 활용하는 데 한계가 있다. 차세대 음극 소재로 주목받고 있는 실리콘은 이론 용량이 흑연의 약 10배에 달하지만, 충·방전 과정에서 발생하는 큰 부피 팽창으로 인해 전극 균열과 계면 열화가 발생하고, 이로 인해 수명이 급격히 저하되는 문제가 있다. 이러한 문제는 고체전해질을 사용하는 전고체전지에서 더욱 심각하게 나타나 실용화를 가로막아 왔다.

사이클 전·후 실리콘 및 실리콘 복합체 음극의 구조 변화 주사전자현미경 이미지

연구팀은 이를 극복하기 위해 실리콘을 둘러싸는 '매트릭스 구조'에 주목해 니켈(Ni)·아연(Zn)·실리콘(Si)으로 구성된 삼원계 실리콘 화합물을 비정질화해 실리콘 음극의 매트릭스로 활용했다. 비정질 삼원계 실리콘 화합물은 기계적으로는 탄성 완충재 역할을 하며, 전기화학적으로는 이온과 전자의 이동 경로를 제공한다. 여기에 흑연을 추가로 도입해 실리콘의 전도도를 향상시키고 구조적 안정성을 보완하는 '이중 매트릭스 구조'를 구현했다.

그 결과, 충·방전 과정에서 전극 두께 변화와 균열 발생이 크게 감소했으며, 장시간 충·방전에도 전극 구조와 계면이 안정적으로 유지되는 것이 확인됐다. 또 액체전해질을 사용하는 리튬이온전지에서 이 실리콘 음극은 높은 용량과 함께 우수한 수명 특성을 보였다. 고니켈 양극(NCM811)과 조합한 완전셀에서는 약 370Wh/kg 수준의 에너지 밀도를 달성했다.

동일한 음극을 전고체전지에도 적용한 결과, 황화물계 고체전해질(Li6PS5Cl)을 사용하는 전고체전지 완전셀에서 약 300Wh/kg급 에너지 밀도와 우수한 수명 특성을 동시에 확보했으며, 넓은 온도 범위에서도 안정적인 구동 성능을 나타냈다. 연구팀은 후속 연구를 통해 전기자동차 및 ESS용 차세대 고에너지밀도 배터리 상용화에 기여할 수 있도록 연구를 지속할 계획이다.

박철민 교수는 “실리콘은 이미 상용화가 진행되고 있는 매우 유망한 고용량 음극 소재이지만, 부피 팽창과 계면 열화 문제로 인해 여전히 기술적 한계가 존재했다”며 “이번 연구는 비정질 삼원계 실리콘 화합물과 흑연을 활용한 이중 매트릭스 구조 설계를 통해 리튬이온전지와 전고체전지에 모두 적용 가능한 새로운 실리콘 음극 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 대학중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 박사과정 이영한 연구원과 김반석 연구원(현 SM벡셀 기술연구소)이 공동 제1저자로 연구를 수행했다. 한편, 연구 결과는 재료·에너지 분야 세계적 학술지 'ACS Nano'에 실렸다.

구미=정재훈 기자 jhoon@etnews.com