한국과학기술연구원(KIST)은 이민아·홍지현·정향수 박사 공동연구팀이 리튬 배터리 흑연-실리콘 복합음극 제작과정에 활용할 수 있는 전처리 용액을 개발해 기존 대비 2.6배 이상 음극 용량을 갖는 음극소재를 개발했다고 15일 밝혔다.
상용화된 리튬 배터리는 대부분 음극 소재로 흑연을 사용하고 있는데, 실리콘은 흑연보다 에너지 저장능력이 5~10배 높아 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.
하지만 실리콘은 흑연에 비해 3배가량 많은 양의 리튬을 소모하기 때문에 흑연을 완전히 대체하지 못하고 있다. 이에 흑연과 실리콘을 혼합한 흑연-실리콘 복합전극이 실질적인 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.
앞서 에너지저장연구센터 이민아 박사팀은 전극을 특수한 용액에 담갔다 빼는 공정을 개발해 실리콘 전극의 초기 리튬 소모를 차단한 바 있다. 공동연구진은 해당 공정을 상용화 가능성이 큰 흑연-실리콘 혼합소재에 적용하고자 했다.
연구팀은 용액 내 분자들의 상호작용의 세기를 조절, 새로운 조성의 용액을 개발해 실리콘과 흑연이 혼합된 전극에서도 안정적으로 손실될 리튬을 공급할 수 있게 됐다.
개발된 전극은 첫 충전 시 100%에 가까운 높은 초기효율을 보였으며 기존 대비 약 2.6배 높은 음극 용량을 가지며, 250회 충·방전하는 내구성 시험 후에도 87.3%의 용량이 유지되는 우수한 수명 특성을 보였다.
KIST 이민아 박사는 “향후 전기자동차의 주행거리를 획기적으로 향상시키는 데 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
홍지현 박사는 “KIST 내부 연구원들의 활발한 협력 연구를 장려하는 분위기가 있었기에 우수한 성과를 얻는 것이 가능했다”며 “안전하고 대량 양산에 적합한 기술로 실제 산업화도 가능할 것”이라고 설명했다.
