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KIST, 배터리 음극 용량 2.6배 높이는 음극 전처리법 개발

KIST 연구 성과, 저명 학술지 JACS 게재

(서울=뉴스1) 김승준 기자 | 2021-07-15 12:00 송고 | 2021-07-15 17:53 최종수정
홍지현·정향수·이민아 한국과학기술연구원 선임연구원 (한국과학기술연구원 제공) 2021.07.15 /뉴스1

리튬 배터리의 음극 용량을 늘릴 수 있는 처리 방법을 국내 연구팀이 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 이민아 에너지저장연구센터 박사, 홍지현 에너지소재연구센터 박사, 정향수 수소·연료전지연구센터 박사 공동연구팀이 기존 대비 2.6배 이상의 용량을 갖는 음극 소재를 제작했다고 15일 밝혔다.

연구팀은 리튬 배터리의 흑연·실리콘 복합음극 제작과정에 활용할 수 있는 전처리 용액을 개발해 실리콘 함량을 50% 이상으로 늘림으로써 음극의 용량을 늘렸다.

상용화된 리튬 배터리는 대부분 음극 소재로 흑연을 사용하고 있는데, 실리콘은 흑연보다 에너지 저장능력이 5~10배 높아 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 문제는 실리콘은 흑연에 비해 3배가량 많은 양의 리튬을 소모하는 것.

흑연·실리콘 복합전극은 실리콘의 높은 용량과 흑연의 우수한 수명특성을 상호보완적으로 사용할 수 있어 리튬이온배터리의 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 흑연·실리콘 복합음극은 실리콘의 함량이 높을수록 용량은 커지지만 초기 손실도 함께 높아진다. 리튬이 손실되면, 사용할 수 있는 배터리 용량도 줄어든다.

이를 해결하기 위해 손실될 리튬을 음극에 미리 추가로 공급해주는 사전리튬화 방법이 다양하게 연구되고 있다. 이민아 박사팀은 전극을 특수한 용액에 담갔다 빼는 공정을 개발해 실리콘 전극의 초기 리튬 소모를 차단한 바 있다. 연구팀은 해당 공정을 상용화 가능성이 큰 흑연·실리콘 혼합소재에 적용하고자 했다.

기존의 실리콘 소재용 전처리 용액을 사용할 경우 흑연구조 내부로 용액 내의 리튬이온이 아닌 다른 물질이 함께 들어가 흑연의 구조가 파괴됐다. 연구팀은 새로운 조성의 용액을 개발해 실리콘과 흑연이 혼합된 전극에서도 안정적으로 손실될 리튬을 공급할 수 있게 됐다.

흑연·실리콘 전극을 해당 용액에 1분 정도 담그면, 실리콘의 비율을 50%까지 올려도 초기 리튬 소모 현상을 완전히 차단, 첫 충전 시 1% 이하의 리튬을 소모해 100%에 가까운 높은 초기효율을 보였다. 이를 통해 개발한 전극은 기존 흑연만을 사용한 음극에 비해 약 2.6배 높은 용량을 가지며, 250회 충·방전하는 내구성 시험 후에도 87.3%의 용량이 유지되는 우수한 수명 특성을 보였다.

연구팀은 "모든 공정을 새로 설계하는 것이 아닌, 산업에서 이용되고 있는 전극 제조 공정 이후에 롤-투-롤 방식으로 전극을 담지하는 단순한 공정만을 추가하면 되기 때문에 현행 공정에 적용이 용이하다"며 "리튬 금속을 활용하는 방식에 비하여 폭발 위험성이 현저히 낮고 높은 온도 등의 엄격한 조건이 필요하지 않기 때문에 경제적, 안전상의 이유로 실제 산업에 적용 가능성이 높다"고 내다봤다.

이민아 KIST 박사는 "향후 전기자동차의 주행거리를 획기적으로 향상시키는 데 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업, 한국연구재단 개인연구사업(중견연구, 신진연구) 및 기후변화대응기술개발사업을 통해 수행됐다. 최진관 학생연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구결과는 화학 분야 국제학술지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 게재됐다.


seungjun241@news1.kr

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