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| | ▲ 개발된 리튬이온전지 음극 소재의 합성 과정. UNIST 제공 | |
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UNIST 에너지화학공학과 조재필 특훈교수가 고용량 음극 소재인 실리콘계열 소재의 내구성을 획기적으로 개선하는 합성기술을 개발, 전기차의 주행거리를 대폭 늘릴 수 있게 됐다.
이 기술로 합성된 음극소재는 실리콘 입자 크기가 작고, 이를 둘러싼 실리콘카바이드가 실리콘을 보호하는 역할을 해 내구성이 뛰어나다.
충·방전 때마다 실리콘 부피가 수배 이상(360%) 부풀어 오르는데, 팽창과 수축을 반복하면서 구조적 손상이 발생하기 쉽다. 또 팽창 때 발생하는 가스에 의한 폭발위험도 있어, 현재 흑연에 섞어 쓸 수 있는 실리콘계 소재의 한계 함량은 5% 정도로 알려져 있다.
그런데 조 교수팀의 합성법은 입자 크기를 1나노미터 이하로 줄일 수 있다. 기상증착과정 중 핵 성장을 억제해 입자를 작게 만드는 것이다.
공동 교신저자인 에너지화학공학과 곽상규 교수팀은 양자역학계산을 통해 이러한 핵 성장 억제 효과를 이론적으로 입증했다.
실리콘 입자를 둘러싼 실리콘카바이드는 내구성뿐만 아니라 배터리 용량도 높인다. 실리콘이 배터리 전해액과 반응하는 것을 막기 때문이다.
합성된 음극재의 부피 팽창률을 측정했을 때 상용 흑연 소재와 유사한 15% 내외에 불과했다. 또 상용 수준의 각형 셀(cell) 평가에서도 2,800회 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 91%를 유지했다. 실리콘계 음극 소재를 적용한 배터리 셀에서 500회 이상 충·방전 수명을 갖는 유의미한 실험결과가 보고된 전례는 없었다.
이러한 우수한 특성을 갖는 음극 소재는 전기자동차(EVs)뿐만 아니라 고용량 에너지 저장 시스템 (ESS)에도 적용이 가능할 전망이다.
이번 연구 결과는 에너지 분야의 세계적인 학술지인 네이처 에너지(Nature Energy)에 12월 13일자(런던시간 오후 4시)로 공개됐다.
