실리콘 음극재, 시간 지날수록 효율·수명↓, 부서짐↑
실리콘 크기 5nm로 줄여 전기적 성질 탄소 입자에 분산 필요
(서울=내외방송) 전기자동차 배터리에 탑재된 실리콘 소재의 내구성 문제를 해결해 효율과 수명을 개선할 수 있는 방법이 제시됐다.
UNIST(울산과학기술원)는 "조재필 에너지화학공학과 특훈교수 연구팀이 이차 전지 소재로 가장 주목받고 있는 실리콘 음극(-극) 물질들이 상용화된 전지에 사용되기 위해서 확보해야 할 특성과 문제점을 심도있게 분석했다"고 30일 밝혔다.
이차 전지는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 전원을 공급하기도 하고, 방전됐을 때는 외부에서 전원을 공급받아 전기를 저장할 수 있는 전지로서 축전지로서 많이 알려져 있다.
현재 이차 전지는 전기자동차나 스마트폰, 드론 등 많은 전자기기에 사용되고 있다.
전기자동차의 배터리 음극재(리튬이온을 음극에 저장했다가 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 소재)에서 사용 중인 실리콘 소재는 마이크론(100만 분의 1) 크기의 입자인 SiOx(산화규소, 규산) 계통으로 5% 미만으로 함유됐지만, 초기 효율이 80%대여서 전도도가 낮아 고속 충전을 하기에는 문제가 있다.
연구팀은 실리콘 소재의 효율이 흑연(94% 효율)에 비해 낮아 전지 사용 효율을 감소시킨다는 문제점을 지적했다.
뿐만 아니라 실리콘 소재는 입자가 커질수록 효율이 떨어지고, 부피가 변하면서 생기는 부서짐 현상이 가속화돼 급격한 수명 저하와 가스 발생이 나타난다고 분석했다.
이 문제점을 해결하기 위해 실리콘 크기를 5nm(나노미터) 이하로 줄여 전도성(전기적 성질을 띰) 탄소 입자에 균일하게 분산하는 기술이 필요하다고 연구팀은 주장했다.
지난 2021년 실리콘 입자크기를 1nm 이하로 줄이는 합성 기술이 개발된 바 있는데, 이를 통해 초기 효율을 90% 이상 끌어 올리고 수명도 크게 개선됐다.
조 특훈교수는 "이 논문을 통해 상용화 적용이 가능한 실리콘 음극재에 대한 개발이 더 활발하게 이뤄질 것"이라고 말했다.
성재경 경상국립대 교수가 공동교신저자로 참여한 이 연구는 국제학술지인 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 최근 게재됐다(논문명: Issues impeding the commercialization of laboratory innovations for energy-dense Si-containing lithium-ion batteries).
