국내 연구진이 충방전시 성능이 떨어지는 문제를 개선한 리튬이온전지용 3차원 음극소재를 개발했다.
한국연구재단은 박민식 경희대 교수, 문장혁 중앙대 교수, 김정호 호주 울런공대 교수 공동연구팀이 자이로이드구조의 고용량·고출력 차세대 리튬이온전지용 3차원 음극소재를 개발했다고 28일 밝혔다. 자이로이드는 규칙적 패턴이 반복되는 다공성 삼차원 나노 구조체다.
실리콘 음극소재는 흑연 대비 10배 이상의 이론용량을 갖는 대신 충·방전시 3배 이상 팽창하면서 구조가 붕괴돼 성능이 저하된다. 현재 상용 음극소재인 흑연에 실리콘을 미량 섞어 용량을 조금 높여 사용하는 단계에 머물러 있다.
연구팀은 실리콘 팽창에 따른 재료 내부의 저항력(응력)을 최소화하도록 다공성 자이로이드 구조의 실리콘복합산화물 음극소재를 설계하고 단일공정(one-pot)을 통해 합성하는 데 성공했다.
응력은 압축, 굽힘, 비틀림 등 외부 힘에 의해 변형된 물체의 내부에 발생하는 저항력이다. 시뮬레이션을 통해 성능을 예측한 결과 다공성 기공이 응력을 줄이고 3차원 자이로이드 구조를 통해 구조적 안정성을 확보한 것을 확인했다.
실제 충·방전 시 규칙적으로 배열된 직경 10나노미터 크기의 기공이 실리콘의 부피팽창을 효과적으로 완충함으로써 기존 흑연 대비 5배 이상의 가역용량을 달성했다. 100회 이상의 충·방전에도 초기 효율의 80%를 유지했다.
복합소재 내부 산소만을 선택적으로 환원해 기공을 형성함으로써 리튬 이온의 확산을 도왔다.
리튬 이온 유출입이 반복돼도 출력 특성이 개선됐다.
연구에 참여한 이재우 연구원은 “시뮬레이션 해석과 실제 실험적 관찰을 통합한 융합연구에서 성과를 냈다는 것에 의미가 있다”면서 “실리콘 기반 음극소재 융합연구는 리튬이온전지가 핵심부품으로 사용되는 전기자동차 산업에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
최호 정책기자 snoop@etnews.com
