입자 크기 다른 3개 소재 조합…국내 연구진, 고내구성 실리콘 배터리 음극 개발

흑연·유기물·실리콘 ‘공간 제어’ 설계
흑연 음극 대비 저장용량 2.5배 향상
200회 급속 충·방전 후 용량 85% 유지
부피 팽창 억제해 내구성 확보

제주 돌담 처럼 크기가 다른 입자를 조합해 내구성을 높인 배터리 음극. 연구그림=UNIST

국내 연구진이 입자 크기가 서로 다른 세 가지 소재를 조합해 실리콘 음극의 고질적인 문제인 부피 팽창을 잡고 배터리 용량을 기존보다 2.5배 높이는 기술을 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 강석주 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 안석훈 박사, 고려대학교 곽상규 교수 공동연구팀은 실리콘 입자의 위치와 분포를 조절해 저장용량과 내구성을 동시에 끌어올린 3원 복합 음극을 개발했다고 19일 밝혔다. 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 게재됐으며 후면 표지논문으로 선정됐다.

현재 상용 리튬이온배터리의 흑연 음극은 구조가 안정적이지만 소재 1g당 이론 저장용량이 372mAh에 그쳐 용량 확대에 한계가 있다. 차세대 소재인 실리콘은 흑연보다 이론용량이 약 10배 크지만, 충·방전 과정에서 팽창과 수축을 반복하는 문제가 따른다. 특히 실리콘 입자가 한곳에 뭉치면 특정 부위에 힘이 집중돼 전극에 균열이 생기고 배터리 수명이 급격히 줄어든다.

연구팀은 입자 크기가 다른 흑연, 유기 저분자 소재(cHBC), 실리콘 나노입자를 혼합하는 ‘공간 제어’ 방식을 고안해 이 문제를 해결했다. 가장 큰 흑연 입자가 전기가 흐르는 뼈대를 형성하고, 중간 크기의 유기소재가 그 사이를 채워 구조를 지탱하며 리튬이온 이동을 돕는다. 가장 작은 실리콘 입자는 남은 틈새에 고르게 자리 잡아 전기 저장용량을 높인다. 이 구조는 실리콘 입자의 뭉침을 막고 팽창을 수용할 여유 공간을 남겨 충·방전 시 전극 손상을 억제한다.

성능 평가 결과, 실리콘을 무게 기준 15% 혼합한 복합 음극은 전류 밀도 0.1A/g 조건에서 약 890mAh/g의 가역용량을 기록했다. 같은 조건의 일반 흑연 음극(약 350mAh/g)보다 저장용량이 약 2.5배 크다. 1A/g 조건에서 1000회 충·방전한 뒤에도 약 250mAh/g의 용량을 유지했다.

상용 양극재와 결합한 배터리 실증에서도 내구성을 입증했다. 고용량 양극재(SC-NCM811)와 조합한 배터리는 30분 만에 충·방전을 마치는 급속 조건(2C)에서 200회 충·방전 후에도 초기 용량의 약 85%를 유지했다. 유기소재 없이 흑연과 실리콘만 섞은 대조군이 동일 조건에서 55% 유지에 그친 것과 대조적이다. 파우치형 배터리 역시 1시간 충·방전 조건(1C)에서 185회 구동 후 85% 이상의 용량 유지율을 나타냈다.

연구팀은 실시간 광학 관찰과 단면 분석, 다중 규모 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 실리콘 덩어리가 적절한 크기로 고르게 배치될 때 리튬 저장 능력을 유지하면서도 팽창에 따른 구조 손상이 줄어든다는 사실을 규명했다.

강석주 UNIST 교수는 “고용량 소재의 함량뿐만 아니라 입자를 어떻게 배치하느냐가 배터리 성능을 좌우한다는 사실을 입증한 연구”라며 “전기차와 에너지저장장치(ESS)용 배터리의 성능과 수명을 높여 장기적으로 교체 비용을 줄이는 데 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단(NRF), 과학기술사업화진흥원(COMPA), UNIST 등의 지원을 받아 수행됐다.

울산=장지승 기자 jjs@sedaily.com