GIST, 대량생산 이차전지용 실리콘 음극재 개발

이민우 기자
입력 2021.08.25 10:31
광주과학기술원(GIST)이 리튬이차전지용 고용량 실리콘 음극재 개발에 성공했다. 기존 실리콘 음극재 단점을 보완하고 전기화학정성능과 내구성을 높였고 대량생산 가능성도 확보해했다.

김형진 GIST 교수 연구진이 개발한 실리콘·구리·탄소 복합 음극의 전극 가열 전후 성능 비교 이미지 / GIST
25일 GIST에 따르면, 실리콘 음극은 기존 흑연 상용 음극보다 10배 넘는 에너지 밀도를 보유했다. 에너지 밀도 외 경제적이고 친환경적인 소재로 인정받아 차세대 음극으로 주목받는다. 대용량 에너지 저장장치(ESS)와 전기차 등 높은 에너지·출력 밀도를 요구하는 경향이 강해지면서 실리콘 음극재 개발은 각국에서 경쟁이 치열하다.

다만 실리콘 음극은 실리콘 소재의 비전도성 특성과 충·방전 과정에서 발생하는 실리콘 부피팽창으로 인한 낮은 수명으로 인해 상용화에 어려움을 겪는다. 실리콘 음극 성능 개선을 위한 재료 연구가 최근 꾸준히 진행되고 있으나, 실용적이고 상용화에 가까운 성능 향상을 위해선 생산단가와 대량생산 가능성을 고려한 연구도 필요하다는 지적이 있어왔다.

GIST가 개발한 고용량 실리콘 음극재는 기존 실리콘 음극재 합성 기술 대비 간편한 가열 공정을 적용했다. 합성 공정이 간단해 대량 생산 가능성을 높였다는 것이 GIST 연구진 측 설명이다.

연구진이 개발한 고용량 실리콘 음극은 실리콘·구리 합금 반응을 전극 가열 공정과 전극 바인더(충·앙전 반복시 전극을 기계적으로 안정화함)의 탄소화를 통해 만들어진다. 이를 통해 실리콘 전극의 전기 전도성이 향상됐고, 충·방전시 발생하는 전극 내 기계적 응력도 완화돼 내구성도 높아졌다.

GIST에 따르면, 개발된 실리콘·구리·탄소 복합 음극은 기존 실리콘 음극과 비교 실험에서도 높은 성능을 보인다. 4 A/g의 고전류밀도에서 기존 실리콘 음극은 충·방전을 제대로 하지 못했지만, 개발된 복합 음극은 1776 ㎃h/g의 고용량을 유지했다.

연구를 주도한 김형진 GIST 교수는 "이번 연구는 실리콘과 이종 금속 간 다양한 응용과 전극 가공 기술의 융합이 핵심이다"며 "실리콘 재료의 제한적인 사용을 뛰어넘고 이종 금속과 복합물 연구 결과로, 향후 리튬이차전지 성능향상에 기여할 수 있기를 바란다"고 말했다.

김형진 지스트 교수와 서석호 박사과정·윤호철 석사과정 학생이 참여한 복합 음극 연구결과는 재료과학·코팅 분야 학술지인 ‘어플라이드 서피스 사이언스(Applied Surface Science)’에 10일 온라인으로 게재됐다.

이민우 기자 minoo@chosunbiz.com


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