- 기존 흑연 대비 5배 용량, 단순공정(one-pot)으로 합성해 전기자동차 응용 기대
한국연구재단(이사장 노정혜)은 박민식 교수(경희대), 문장혁 교수(중앙대), 김정호 교수(호주 울런공대) 등 공동연구팀이 자이로이드구조의 고용량·고출력 차세대 리튬이온전지용 3차원 음극소재를 개발했다고 밝혔다. <※ 자이로이드(gyroid) : 규칙적 패턴이 반복되는 다공성 삼차원 나노 구조체. 삼각함수()를 사용한 수학적 표면으로 구성됨>
전기자동차 시장의 확대로 고성능 리튬이온전지 수요가 늘어남에 따라 리튬이온전지용 음극소재로서 기존 흑연 대비 10배 이상의 이론용량을 갖는 실리콘에 대한 연구가 활발하다. <※ 이론용량 : 흑연의 이론 용량 372 mAh/g, 실리콘의 이론 용량 4,200 mAh/g>
하지만 충·방전시 실리콘이 3배 이상 팽창하면서 구조가 붕괴, 성능이 저하되는 것이 문제였다. 때문에 상용 음극소재인 흑연에 실리콘을 미량 섞어 용량을 다소 높이는 데 그쳤다.
연구팀은 실리콘 팽창에 따른 재료 내부의 저항력(응력)을 최소화하도록 다공성 자이로이드 구조의 실리콘복합산화물 음극소재를 설계하고 단일공정(one-pot)을 통해 합성하는 데 성공했다. <※ 응력 : 압축, 굽힘, 비틀림 등 외부 힘에 의해 변형된 물체의 내부에 발생하는 저항력. 재료에 응력이 생기면 재료의 강도가 떨어지거나 파손되기 쉽다.>
시뮬레이션을 통해 예측한 결과 다공성 기공이 응력을 줄이고 3차원 자이로이드 구조를 통해 구조적 안정성을 확보할 수 있음을 알아낸 데 따른 것이다.
이렇게 개발된 소재는 실제 충·방전 시 규칙적으로 배열된 직경 10나노미터 크기의 기공들이 실리콘의 부피팽창을 효과적으로 완충함으로써 기존 흑연 대비 5배 이상의 가역용량을 달성했다. 100회 이상의 충·방전에도 초기 효율의 80%를 유지하는 장수명을 구현해 냈다. <※ 가역용량 : 1635 mAh/g의 충·방전시 반복적으로 사용 가능한 리튬이차전지 용량>
한편 복합소재 내부의 산소만을 선택적으로 환원하여 내부에 기공을 형성함으로써 기공을 통한 리튬 이온의 확산을 도왔다.
반복적인 리튬 이온 유출입 시에도 기계적 강도 손실 없이 출력 특성을 개선시킬 수 있었다는 설명이다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지 '에이씨에스 나노(ACS Nano)'에 8월 5일 게재되었다.
※ 논문명: Everlasting Living and Breathing Gyroid 3D Network in /C">/C Nanoarchitecture for Lithium Ion Battery
※ 주저자: 이재우 박사과정(공동1저자, 호주 울런공대), 문장혁 교수(공동1저자, 중앙대), 박민식 교수(교신저자, 경희대), 김정호 교수(교신저자, 호주 울런공대)
이재우 연구원은 "시뮬레이션 해석과 실제 실험적 관찰이 통합된 융합연구인 것에 큰 의의가 있다"며 "향후 실리콘 기반 음극소재 융합연구는 리튬이온전지가 핵심부품으로 사용되는 전기자동차 산업에 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.
(그림1) 3차원 공간구조형 실리콘복합산화물 합성공정 모식도
자이로이드 구조의 실리카(왼쪽 위)를 전구체로 간단한 선택적 환원공정을 통해 실리콘 결정이 내부에 삽입된 3차원 공간구조형 실리콘복합산화물을 합성하였다.
(그림2) 유한요소해석을 통한 다양한 3차원 실리콘 구조체의 부피팽창 시뮬레이션
각 모델 아래의 숫자는 리튬이온의 삽입량을 퍼센트 농도로 표현한 것이며, 적색으로 변할수록 각 국소지점의 위치변화(부피팽창도)가 크다는 것을 의미 한다. 입자 단위의 실리콘(위)은 리튬이온 삽입시(전지 충전시) 부피가 300% 가량 변하지만 본 연구에서 설계된 3차원 공간구조형 실리콘복합산화물(아래)은 기존 부피를 그대로 유지하는 모습을 보인다.
(그림3) 실리콘 입자 내부 결정학적 결함 유무에 따른 영향 확인
리튬 삽입 시, 입자 내부에 결정학적 결함이 없는 입자의 경우(왼쪽, 위 : 시뮬레이션, 아래 : 전자현미경 관찰) 리튬이 표면부터 쌓여 내부로 침투하면서 기계적 강도 약화를 야기하지만, 결정학적 결함이 유도된 입자의 경우(오른쪽) 결함을 통해 리튬이 내부까지 고르게 확산하여 기계적 강도를 그대로 유지하며 출력특성이 개선된 모습을 확인하였다.
