한국전기연구원(KERI) 나노융합연구센터 한중탁 박사와 이도근 학생연구원이 리튬이온전지 음극재의 고용량·고안정성을 확보하는 '실리콘-질소도핑 카본 복합음극재' 제조 기술을 개발했다.

실리콘은 리튬이온전지의 기존 음극(-) 소재인 흑연보다 에너지 밀도가 약 10배 이상 높지만, 지속적인 충·방전 시 부피가 3~4배 팽창한다는 단점이 있다.

현재 많은 연구진이 실리콘의 문제를 미래 신소재인 탄소나노소재로 해결해서 실리콘의 첨가량을 늘리기 위한 노력을 기울이고 있다.

전기연은 '질소를 도핑(doping·결정의 물성을 변화하기 위해 소량의 불순물을 첨가)한 단일벽 탄소나노튜브'와 '그래핀(Graphene)'으로 실리콘의 한계를 극복했다.

전기연이 개발한 기술을 리튬이온전지의 음극재에 적용하면 충전 속도를 높이고 충·방전 사이클 안정성을 향상하는 효과가 있다. 이에 더해 한중탁 박사팀은 음극재 외부를 우수한 전기 전도성, 기계적 강도를 지닌 그물망 구조의 그래핀으로 감싸 실리콘의 부피팽창을 억제하는 안정성도 확보했다.

연구팀은 리튬이온전지 충·방전 100회 실험을 통해 성과의 효과도 확인했다. 그 결과 기존 실리콘 복합음극재가 적용된 리튬이온전지는 전지 성능이 30% 정도만 남은 반면, 전기연 '실리콘-질소도핑 카본 복합음극재'가 적용된 전지는 82% 이상 성능을 유지했다.

한중탁 전기연 박사는 "우리의 탄소나노소재 복합음극재는 실리콘의 단점을 메우고, 고용량이 장시간 안정적으로 유지되는 장점이 있다"고 말했다.

연구팀은 이번 기술이 리튬 확산속도가 중요한 '전고체전지' 음극에도 활용이 가능할 것으로 보고 있다. 전기연은 관련 기술이 고용량 리튬이온전지가 필요한 기업들의 많은 관심을 받을 것으로 보고, 수요 기업을 발굴해 기술이전을 추진할 예정이다.

/안지산 기자

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