재료공학부 박철민교수 연구팀전기차, ESS 저장용량 높이는 음극소재
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- ▲ 왼쪽부터 박철민 교수, 이영한 연구원, 국민대 신소재공학부 김재헌 교수, 한국전기연구원 하윤철 박사ⓒ
경북 구미시에 있는 국립금오공과대학교가 박철민 교수(재료공학부) 연구팀이 리튬이온전지와 전고체전지에 적용 가능한 ‘차세대 실리콘 기반 음극소재’를 개발했다고 2일 발표했다.실리콘은 전기자동차와 에너지 저장장치의 주행거리 및 저장용량을 높일 수 있는 대표적인 차세대 음극소재다.그러나 충·방전 과정에서 300% 이상에 이르는 큰 부피 변화가 발생해 입자 파쇄, 전극 균열, 전기적 접촉 손실, 불안정한 계면 형성 등으로 실제 셀 적용에 한계가 있었다.특히, 전고체전지는 이온전도도가 낮고, 균일하지 않은 접촉면에서는 리튬이온이 확산되지 않아, 고체 간 계면접촉의 안정적 유지가 핵심 과제였다.연구팀은 이를 해결하기 위해 실리콘 나노결정립을 여러 기능성 매트릭스 안에 균일하게 분산·고정하는 ‘다중 매트릭스’ 설계 전략을 제시했다.먼저 실리콘(Si), 주석(Sn), 코발트(Co)를 기계화학적으로 반응시켜 비정질 주석과 코발트 실리사이드(CoSi2)로 이뤄진 복합 매트릭스 내에 나노크기 실리콘 결정립이 균일하게 분산된 복합체를 제조했다. 이후 흑연과 비정질 탄소 코팅층을 추가로 도입해 최종 실리콘 기반 나노복합 음극을 구현했다.개발된 실리콘 기반 나노복합 음극은 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지와 황화물계 전고체전지에서 높은 에너지밀도를 구현했다.특히 NCM811 양극과 조합한 완전셀에서 ‘리튬이온전지’는 434.4 Wh kg-1의 에너지밀도를 나타냈고, ‘전고체전지’는 300 Wh kg-1이상의 에너지밀도 구현 가능성을 확인했으며, 충·방전 후에도 안정적인 전극 구조와 계면을 유지했다.박철민 교수는 “액체 전해질 리튬이온전지와 황화물계 전고체전지 모두에 적용 가능한 실리콘 음극 플랫폼으로, 향후 전기자동차 및 에너지저장 장치용 고에너지밀도 배터리 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 소감을 밝혔다.
