금오공대팀, 고성능 실리콘 음극 개발…"고밀도 충전 상용화"

(구미=연합뉴스) 김현태 기자 = 국립금오공대는 신소재공학과 박철민 교수와 최인철 교수로 구성된 공동 연구팀이 리튬이온전지와 전고체전지에 모두 적용할 수 있는 '고성능 실리콘 음극 소재'를 개발했다고 31일 밝혔다.

새로운 음극 소재는 기존 실리콘 음극의 문제점을 해결했다.

차세대 음극 소재로 주목받는 실리콘은 충·방전 과정에서 발생하는 큰 부피 팽창으로 수명이 급격히 저하돼 실용화에 기술적 한계가 있었다.

연구팀은 이런 한계를 '매트릭스 구조'로 극복했다.

니켈(Ni)·아연(Zn)·실리콘(Si)으로 구성된 삼원계 실리콘 화합물을 비정질화해 실리콘 음극의 매트릭스로 활용하고 흑연을 추가해 구조적 안정성을 보완하는 '이중 매트릭스 구조'를 구현했다.

그 결과 충·방전 과정에서 전극 두께 변화와 균열 발생이 크게 줄었다.

또 장시간 충·방전에도 전극 구조와 계면이 안정적으로 유지됐다.

리튬이온전지에서는 우수한 수명 등에 더해 고니켈 양극(NCM811)과 조합한 완전셀에서는 약 370Wh/kg 수준의 에너지 밀도를, 황화물계 고체전해질(Li6PS5Cl)을 사용하는 전고체전지 완전셀에서는 약 300Wh/kg급 에너지 밀도 등을 달성했다.

이번 연구 결과는 나노과학 분야 국제 학술지 '에이씨에스 나노'(ACS Nano) 12월호에 실렸다.

박철민 교수는 "실리콘은 매우 유망한 고용량 음극 소재지만, 부피 팽창과 계면 열화 문제로 기술적 한계가 존재했다"면서 "후속 연구를 통해 전기자동차 및 ESS용 차세대 고에너지 밀도 배터리 상용화에 기여하겠다"고 말했다.

mtkht@yna.co.kr

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