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UNIST, 리튬이온전지 복합 음극재 기술 개발이현욱·류정기 교수팀
탄소 코팅 흑연과 복합
기존 실리콘 단점 보완
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승인 2019.11.14  21:16:26
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▲ 이현욱 교수
   
▲ 류정기 교수

한국연구재단은 UNIST(울산과학기술원) 이현욱·류정기 교수 연구팀이 차세대 리튬이온전지 음극재로 주목받는 ‘실리콘’의 단점을 보완한 복합 음극재 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

음극재는 2차전지 충전 때 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 소재다. 음극재로 가장 많이 사용되는 흑연은 부피당 용량이 적은

   
▲ 염수정 연구원

한계로 고용량 구현이 어려워 대체재 연구가 추진돼 왔다.

흑연에 비해 10배 이상 에너지 밀도가 높은 실리콘이 대안으로 주목받지만, 실리콘의 낮은 전기전도도와 충전과 방전이 반복될수록 부피가 팽창해 전극 성능이 감소돼 상용화가 어려웠다.

연구팀은 나노튜브 구조의 점토광물(고령토에서 발견되는 할로이사이트)을 가공해 실리콘 나노튜브를 만들고, 표면에 탄소층을 코팅한 뒤 흑연과 복합화하는 방식으로 새로운 실리콘·흑연 복합체 전극을 제작했다.

일반 구(球)형의 실리콘 나노입자는 충·방전시 약 4배 가량 부피가 팽창, 완충구조가 없을 경우 입자가 파괴될 수 있기 때문에 기존 전극들은 팽창률을 고려해 실리콘 함량을 최대 15% 미만으로 제한했다.

   
▲ 점토광물 기반의 실리콘 나노 튜브 합성 공정 개략도.


하지만 연구팀이 제작한 실리콘 나노튜브는 튜브 내부의 빈 공간이 충·방전 과정 중의 부피 변화를 완충, 실리콘 함량을 기존 14%에서 42%까지 대폭 높일 수 있었다. 실리콘 함량의 증가는 에너지 밀도 향상과 직결된다. 제작비용도 희귀금속이 아닌 점토광물을 원재료로 하기 때문에 크게 낮출 수 있다. 김봉출기자

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