국내연구진, 용량 5배 향상시킨 리튬이온전지 음극소재 개발
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국내연구진, 용량 5배 향상시킨 리튬이온전지 음극소재 개발
  • 김경한 기자
  • 승인 2019.08.28 15:12
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실리콘 기반 고용량 음극소재 상용화로 전기차 배터리 활용 기대

[테크월드=김경한 기자] 국내 연구진이 기존 리튬이온전지 음극소재 대비 5배 이상의 용량을 지닌 복합 음극소재를 개발했다.

한국연구재단은 박민식 교수(경희대), 문장혁 교수(중앙대), 김정호 교수(호주 울런공대) 등 공동연구팀이 자이로이드 구조의 고용량·고출력 차세대 리튬이온전지용 3차원 음극소재를 개발했다고 밝혔다.

전기자동차 시장의 확대로 고성능 리튬이온전지 수요가 늘어남에 따라 리튬이온전지용 음극소재로서 기존 흑연(372mAh/g) 대비 10배 이상의 이론용량을 갖는 실리콘(4200mAh/g) 에 대한 연구가 활발하다. 하지만 충·방전 시 실리콘이 3배 이상 팽창하면서 구조가 붕괴되고 성능이 저하되는 것이 문제였다. 때문에 상용 음극소재인 흑연에 실리콘을 미량 섞어 용량을 다소 높이는 데 그쳤다.

연구팀은 실리콘 팽창에 따른 재료 내부의 저항력(응력)을 최소화하도록 다공성 삼차원 나노 구조체인 자이로이드의 실리콘복합산화물 음극소재를 설계하고 단일공정(one-pot)을 통해 합성하는 데 성공했다.

이렇게 개발된 소재는 실제 충·방전 시 규칙적으로 배열된 직경 10nm(나노미터) 크기의 기공들이 실리콘의 부피팽창을 효과적으로 완충함으로써 기존 흑연 대비 5배 이상의 가역용량인 1635mAh/g을 달성했다.

또한 복합소재 내부의 산소만을 선택적으로 환원해 내부에 기공을 형성함으로써 기공을 통한 리튬 이온의 확산을 도왔다. 반복적인 리튬 이온 유출입 시에도 기계적 강도 손실 없이 출력 특성을 개선시킬 수 있었다는 설명이다.

연구진은 “이번 연구를 통해 리튬이온전지 연구가 직면하고 있는 실리콘 기반 고용량 음극소재의 상용화에 이바지할 수 있을 것”이라며, “향후 리튬이온전지가 핵심부품으로 사용되는 전기자동차 산업에도 파급효과가 클 것으로 기대된다”고 밝혔다.


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