대구경북과학기술원(DGIST)은 이용민 에너지공학과 교수가 한국전자통신연구원(ETRI) 연구팀과 함께 흑연-실리콘 확산기반 전극에 사전리튬화 기술을 적용 고에너지밀도·고안정성 전고체 전지용 전극을 개발했다고 11일 밝혔다.
전고체 전지는 이온을 전달해주는 전해질이 고체인 차세대 이차전지다. 불이 쉽게 나지 않고 안전성이 뛰어나다. 또 전고체 전지는 고용량 활물질의 사용이 가능해 높은 에너지밀도를 가질 수 있어 차세대 이차전지로 주목받고 있다.
기존 전고체 전지용 전극은 구성 요소가 복잡해 에너지밀도 측면에서 한계가 있었다. 연구팀은 이온을 전해질이 아닌 활물질 사이에서 확산시켜 전달하는 새로운 방식의 전극을 개발한 바 있다. 이 구조의 전극은 대부분이 활물질로 구성돼 부피당, 질량당 에너지밀도 측면에서 강점을 가진다.
그러나 실리콘은 초기 충·방전 효율이 낮아 리튬의 손실과 용량 감소 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 흑연-실리콘 확산기반 전극에 사전리튬화 기술을 적용했다. 이 기술은 활물질에 리튬을 미리 삽입해 처음 충전 시 발생하는 용량 손실을 보완하는 방법이다. 이렇게 하면 실리콘의 초기 용량 감소를 보완할 수 있을 뿐만 아니라 부피팽창이 완화되어 전극의 수명이 향상된다.
이같은 장점에도 불구하고 기존 사전리튬화 기술은 액체전해질 기반 리튬 이차전지에서 개발되돼 전고체 전지용 전극에 적용하기 어려웠다. 하지만 연구팀은 간단하면서도 효과적인 사전리튬화 기술을 개발해 문제를 해결했다.확산기반 전극 안에 마이크로 리튬금속 입자를 균일하게 분산시켜서 리튬을 공급하는 방법이다. 전고체 전지를 만들 때 이 작은 리튬금속 입자가 흑연과 실리콘에 접촉하면서 자발적으로 리튬이 충전되는 반응이 일어난다. 이 기술은 공정도 간단하다.
새로운 사전리튬화 기술을 적용한 흑연-실리콘 확산기반 전극은 기존 전극보다 초기 충·방전 효율이 더 높아지고 전기화학적 성능도 향상됐다. 또 전극의 리튬화 과정에서 발생하는 부피팽창이 40% 가까이 줄어들어서 전극의 수명이 향상됐다.
이용민 교수는 “전고체 전지용 흑연-실리콘 확산기반 전극에 간단하지만 효과적인 사전리튬화 기술을 개발 및 적용해 고에너지밀도·고안정성 전고체 전지용 전극 구현할 수 있었다.” 며 “사전리튬화 기술을 활용으로 높은 수명특성을 가진 고용량 실리콘 기반 전극을 구현, 고에너지밀도 전고체 전지의 상용화 가능성을 높일 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 최근 에너지 소재 분야 최상위 국제학술지 '어드벤스드 에너지 머티리얼즈' 백 커버 표지 논문으로 선정돼 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 단계도약형 탄소중립기술개발 과제 및 나노 및 소재 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
