광주과학기술원(GIST)은 김형진 에너지융합대학원 교수팀이 기존 리튬이차전지용 실리콘 음극재 보다 전기화학적 성능이 뛰어나고 합성 공정이 간단한 실리콘 음극재를 개발했다고 25일 밝혔다.
실리콘 음극은 기존 흑연 상용 음극 보다 이론적으로 10배가 넘는 에너지 밀도를 갖고 있을 뿐 아니라 경제적이고 친환경 소재로 차세대 음극으로 주목받고 있다. 특히 대용량 에너지 저장장치(ESS)와 전기자동차 등과 같은 높은 에너지 밀도와 출력 밀도를 요구하는 중대형 에너지 저장장치로 활용이 가능해 세계 각국에서 개발경쟁이 치열하다.
하지만 실리콘 비전도성 특성, 충·방전 과정에서 실리콘 부피팽창으로 인한 낮은 수명은 상용화에 걸림돌로 작용하고 있다. 최근 실리콘 음극 성능 개선을 위한 재료 연구가 활발히 이뤄지고 있지만 좀 더 실용적인 성능 향상을 위해서는 생산단가를 낮추고 대량 생산이 가능한 기술개발이 필요한 상황이다.
김 교수팀은 간단한 전극 가열 공정으로 실리콘-구리 합금 반응과 전극 바인더를 탄소화함으로써 실리콘 전극 전기 전도성을 높였으며 충·방전 시 발생하는 전극 내 기계적 응력을 완화하는 데 성공했다.
기존 실리콘 음극은 4A/g 고전류밀도에서 충·방전이 제대로 이뤄지지 않은 반면 연구팀이 새로 개발한 실리콘-구리-탄소 복합 음극은 1776 mAh/g의 고용량을 유지하는 등 전기화학적 특성이 뛰어났다. 실리콘-구리-탄소 합성 공정이 간단하고 대량 생산이 가능하다는 장점도 갖고 있다.
김 교수는 “실리콘과 이종 금속 간 다양한 응용과 전극 가공 기술의 융합이 이번 연구 핵심”이라며 “향후 리튬이차전지 에너지밀도 등 성능 향상에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
김 교수가 주도하고 서석호 박사과정, 윤호철 석사과정 학생이 참여한 이번 연구는 GIST 연구원(GRI), 한국에너지기술평가원 지원으로 이뤄졌다. 연구결과는 재료과학, 코팅 분야 세계적인 학술지 '어플라이드 서피스 사이언스' 최신호 온라인에 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
