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국내연구진, 리튬이온전지용 복합음극재 기술 개발

UNIST 이현욱.류정기 교수팀, 실리콘음극재 단점 보완

(대전=뉴스1) 김태진 기자 | 2019-11-14 12:00 송고
점토광물 기반의 실리콘 나노 튜브 합성 공정 개략도(한국연구재단 제공)© 뉴스1

국내 연구진이 리튬이온전지용 고에너지 밀도 음극소재 기술을 개발했다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 UNIST 이현욱‧류정기 교수 연구팀이 차세대 리튬이온전지 음극재로 주목받는 실리콘의 단점을 보완한 복합 음극재 제조기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

음극재로 가장 많이 사용되는 흑연은 부피당 용량이 적어 고용량 구현이 어렵다.

흑연에 비해 10배 이상 에너지 밀도가 높은 실리콘이 대안으로 주목 받고 있지만 실리콘의 낮은 전기전도도와 충전과 방전이 반복될수록 부피 팽창에 따른 전극 성능 저하로 상용화가 어렵다.

연구팀은 나노튜브 구조의 점토광물(고령토에서 발견되는 할로이사이트)을 가공해 실리콘 나노튜브를 만들고, 표면에 탄소층을 코팅한 뒤 흑연과 복합화하는 방식으로 새로운 실리콘-흑연 복합체 전극을 제작했다.

이 실리콘 나노튜브는 튜브 내부의 빈 공간이 충·방전 과정 중의 부피 변화를 완충해 실리콘 함량을 기존 14%에서 42%까지 대폭 높였다.

기존에는 팽창에 따른 입자 파괴를 고려해 실리콘 함량을 최대 15% 미만으로 제한했다.

실리콘 함량의 증가는 에너지 밀도 향상과 직결된다.

희귀 금속 등이 아닌 점토 광물을 원재료로 하기 때문에 제작 비용을 크게 낮출 수 있다.

제조된 실리콘 나노 튜브/흑연 복합체 음극의 특성 분석과 전지 성능 평가(한국연구재단 제공)© 뉴스1

표면을 탄소로 코팅함으로써 반복되는 충·방전 실험에서도 우수한 안정성을 확보했다.

연구진은 대용량 에너지저장장치(ESS)나 전기자동차에서 요구되는 고용량 이차전지용 음극물질 개발에 실마리가 될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이현욱 교수는 “높은 에너지 밀도를 가지는 배터리 디자인에는 부피당 에너지 용량이 중요한 요소”라며 “실리콘 나노 튜브를 적용해 부피당 에너지 저장 용량이 큰 고밀도의 실리콘-흑연 복합체를 개발할 수 있었다”고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구자사업과 기후변화대응기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 지난 1일 게재됐다.


memory444444@nate.com

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