UNIST 조재필 교수팀, 차세대 고용량 음극소재 원천기술 확보
UNIST 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수팀은 기존 흑연 음극소재보다 빨리 충전되고 더 오래 쓸 수 있는 차세대 음극소재를 개발했다고 16일 밝혔다. 흑연에 리튬이온이 빠르게 다닐 수 있는 통로를 많이 만들고 그 위에 실리콘을 나노 두께로 얇게 코팅한 것이 핵심이다. 이 기술을 전기자동차용 배터리에 적용하면 충전시간을 단축시키고 주행거리를 늘리는 데 기여할 전망이다.
전기자동차가 주목받으면서 동력원인 이차전지 용량을 키우고 충전시간을 줄이는 게 중요해졌다. 하지만 기존 흑연 음극소재는 리튬이온을 저장할 수 있는 용량 자체가 적고 고속으로 충전하면 음극소재 표면에 리튬 금속이 석출돼 전지 성능과 안전성을 떨어뜨린다.
이런 흑연 음극소재의 단점을 극복할 물질로 흑연보다 10배 이상 용량이 큰 실리콘 소재가 차세대 음극 물질로 주목받고 있다. 그러나 실리콘 소재는 전기 전도도가 낮고 충전과 방전 시 부피가 급격히 변하는 문제가 있다.
이 때문에 고용량과 고속 충전을 동시에 구현하는 리튬이온전지를 만드는 기술은 현재까지 어려운 문제로 남아 있었다.
조 교수팀은 기존 음극소재 한계를 극복하기 위해 새로운 구조를 가진 흑연·실리콘 복합체를 합성하는 방법을 제안했다. 이 방법으로 합성한 ‘가장자리 활성화 흑연·실리콘 복합체’는 상용화된 전극 조건에서 1.5배 빨리 충전됐고 용량도 50% 정도 늘었다.
니켈은 탄소와 수소를 반응시키는 촉매로 작용할 수 있다. 연구진은 이 점을 이용해 흑연 음극소재의 가장자리에 니켈을 붙이고 수소와 반응시켰다. 그 결과 흑연 가장자리에 있는 탄소가 메탄(CH4)가스로 변했다.
이런 반응이 연속적으로 일어나면 흑연 가장자리에 구멍이 생기면서 리튬이온이 쉽게 드나드는 길이 열린다. 이런 통로가 많아지면서 결과적으로 전지를 빨리 충전할 수 있게 된 것이다. 연구진은 또 가장자리에 구멍이 생긴 흑연에 실리콘을 얇게 코팅해 기존 흑연 음극소재보다 용량을 늘리는 구조를 만들었다. 흑연의 높은 전도성과 실리콘의 고용량 특징을 모두 살린 것이다.
조 교수는 “실리콘 나노 코팅 원천기술로 머리카락의 1만 분의 일에 가까운 두께(20㎚ 이하)의 실리콘을 흑연 표면 위에 고르게 코팅해 고성능 흑연·실리콘 복합체를 구현했다”며 “전체 공정이 비교적 간단하고 저렴해 대량생산도 가능하다는 장점이 있다”고 말했다.
또 조 교수는 “이번 연구는 전기자동차나 대용량 에너지저장장치(ESS)처럼 에너지 밀도가 크고 출력이 높은 배터리에 쓰일 음극소재를 만드는 데 성공적으로 적용할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
연구결과는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈 10월9일자 온라인판에 게재됐다.
이형중기자 leehj@ksilbo.co.kr