UNIST연구진, 리튬이온전지용 고에너지밀도 음극재 기술 개발

	▲ UNIST 에너지 및 화학공학부 이현욱 교수. 울산과학기술원 제공.

	▲ UNIST 에너지 및 화학공학부 류정기 교수. 울산과학기술원 제공.

	▲ 점토광물 기반의 실리콘 나노 튜브 합성 공정 개략도. 울산과학기술원 제공.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 이현욱·류정기 교수팀이 차세대 리튬이온전지 음극재(2차 전지 충전 때 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 소재)로 주목받는 ‘실리콘’의 단점을 보완한 복합 음극재 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.
음극재로 가장 많이 사용되는 흑연은 부피당 용량이 적은 탓에 고용량 구현이 어려워 대체재 연구가 추진돼 왔다.
흑연에 비해 10배 이상 에너지 밀도가 높은 ’실리콘’이 대안으로 주목받았다.
하지만 실리콘의 낮은 전기전도도와 충전과 방전이 반복될수록 부피가 팽창해 전극 성능이 감소돼 상용화가 어려웠다.
이에 연구진은 나노튜브 구조의 점토광물(점토를 구성하는 광물로 표면적이 크고, 반응성이 풍부함)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 4배 가량 부피가 팽창, 완충구조가 없을 경우 입자가 파괴될 수 있다. 이 때문에 기존 전극들은 팽창률을 고려해 실리콘 함량을 최대 15% 미만으로 제한했다.
그러나 연구진이 개발한 실리콘 나노튜브는 튜브 내부의 빈 공간이 충·방전 과정 중의 부피 변화를 완충, 실리콘 함량을 기존 14%에서 42%까지 대폭 높이는 것으로 확인됐다. 실리콘 함량의 증가는 에너지 밀도 향상과 직결되기 때문에 의미가 있다.
또 희귀금속 등이 아닌 점토광물을 원재료로 하기 때문에 제작비용을 크게 낮출 수 있고, 표면을 탄소로 코팅함으로써 반복되는 충?방전 실험에서도 우수한 안정성을 확보했다고 연구진은 설명했다.
UNIST 이현욱 교수는 “높은 에너지 밀도를 가지는 배터리 디자인에는 부피당 에너지 용량이 중요한 요소”라며 “대용량에너지저장장치(ESS)나 전기자동차에서 요구되는 고용량 이차전지용 음극물질 개발에 실마리가 될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단의 신진연구자사업과 기후변화대응기술개발사업 등 지원으로 이뤄진 이번 연구는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 11월 1일자로 게재됐다.