- 속이 빈 나노튜브 구조로 충방전시 부피팽창 완충, 실리콘 함량 높여
- 음극재 : 2차전지 충전 때 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 소재
한국연구재단은 이현욱‧류정기 교수 연구팀(UNIST)이 차세대 리튬이온전지 음극재로 주목받는 ‘실리콘’의 단점을 보완한 복합 음극재 제조기술을 개발했다고 밝혔다.
음극재로 가장 많이 사용되는 흑연은 부피당 용량이 적은 한계로 인해 고용량 구현이 어려워 대체재 연구가 추진돼 왔다. 흑연에 비해 10배 이상 에너지 밀도가 높은 ’실리콘’이 대안으로 주목받지만, 실리콘의 낮은 전기전도도와 충전과 방전이 반복될수록 부피가 팽창하여 전극 성능이 감소되어 상용화가 어려웠다.
연구팀은 나노튜브 구조의 점토광물(고령토에서 발견되는 할로이사이트)을 가공해 실리콘 나노튜브를 만들고, 표면에 탄소층을 코팅한 뒤 흑연과 복합화하는 방식으로 새로운 실리콘-흑연 복합체 전극을 제작하였다.
일반 구(球)형의 실리콘 나노입자는 충·방전시 약 4배 가량 부피가 팽창, 완충구조가 없을 경우 입자가 파괴될 수 있다. 때문에 기존 전극들은 팽창률을 고려해 실리콘 함량을 최대 15% 미만으로 제한했다. 하지만 연구팀이 제작한 실리콘 나노튜브는 튜브 내부의 빈 공간이 충·방전 과정 중의 부피 변화를 완충, 실리콘 함량을 기존 14%에서 42%까지 대폭 높일 수 있었다. 실리콘 함량의 증가는 에너지 밀도 향상과 직결되기 때문에 의미가 있다.
한편 희귀금속 등이 아닌 점토광물을 원재료로 하기 때문에 제작비용을 크게 낮출 수 있다는 설명이다. 또한 표면을 탄소로 코팅함으로써 반복되는 충․방전 실험에서도 우수한 안정성을 확보할 수 있었다.
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”라고 설명했다. 향후 대용량에너지저장장치(ESS)나 전기자동차에서 요구되는 고용량 이차전지용 음극물질 개발에 실마리가 될 수 있을 것으로 기대된다.
점토광물 기반의 실리콘 나노 튜브 합성 공정 개략도
(a) 점토광물로부터 열적/화학적 처리를 통한 실리콘 나노 튜브 합성 및 탄소층 코팅처리 과정을 거쳐 탄소코팅 실리콘 나노튜브를 합성하는 공정에 대한 모식도
(b) 구형 실리콘 나노 입자의 경우 반복적인 리튬과의 합금 반응 후에 입자의 파괴가 일어난다. (c) 실리콘 나노 튜브의 경우 튜브 내부 빈 공간을 이용한 부피 팽창 완화가 가능해 반복적인 충/방전 후에도 안정적으로 실리콘 입자 및 전극의 구조 유지가 가능하다.
제조된 실리콘 나노 튜브/흑연 복합체 음극의 특성 분석과 전지 성능 평가
(a) 실리콘 나노 튜브의 팽창률에 따라 실리콘/흑연 복합체 음극에 적용 가능한 실리콘의 함량 및 그에 따른 부피당 용량을 나타낸 그래프이다.
(b-e) 실제 실리콘 나노 튜브의 리튬 합금시 팽창 반응은 실시간 투과 전자 현미경 (in-situ TEM) 분석법을 통해 관찰되었다.
(f) 본 연구에서 개발한 나노 튜브/흑연 복합체 음극을 사용하면 실리콘 함량을 14%에서 42%까지 증가시켜 기존 실리콘, 복합체 및 리튬 메탈 금속 연구보다 높은 부피당 에너지 밀도의 배터리를 제조할 수 있다.
(g) 배터리 성능은 1C 전류밀도로 평가했으며 높은 에너지 밀도 및 안정한 사이클 수명을 보인다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구자사업과 기후변화대응기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 11월 1일자로 게재됐다.
