기존 수명 대비 약 7배 향상, 150회 충·방전 동안 93%의 용량 유지

고에너지 밀도의 음극 전지 상용화 시, 전기차 주행거리 개선 기대

 

국내 연구진이 전기차 배터리에 활용될 차세대 소재, 실리콘 음극의 안정성을 기존 수명 대비 약 7배 향상할 수 있는 기술을 개발했다. 

 

 

광주과학기술원(GIST) 에너지융합대학원 김형진 교수 연구팀은 한국에너지기술연구원과의 공동 연구에서 그래핀 산화물과 금속 산화물을 완성된 실리콘 음극에 적용하여 안정성을 크게 개선할 수 있는 후공정을 개발했다.

 

실리콘 음극은 단위 무게당 이론용량이 최대 4200mAh/g에 달해 기존 흑연 상용 음극 대비 10배가 넘는 이론용량을 갖는 차세대 음극이다.

 

연구팀이 개발한 후공정은 150회 충·방전 동안 93%의 용량을 유지시킬 수 있어 전기차의 주행거리를 크게 늘릴 수 있을 것으로 기대된다.

 

현재 전기차의 주행거리 향상을 위해 리튬 배터리의 음극재로 흑연이 사용되고 있다. 이론적으로 실리콘 음극은 기존의 흑연 음극보다 동일한 부피에서 최대 10배 더 많은 전기를 저장할 수 있어 고에너지 밀도 배터리 개발을 실현할 차세대 음극으로 평가받고 있다.

 

하지만 배터리 충전 시 실리콘 음극은 약 4배 가량 팽창하는 단점이 있고, 팽창한 음극이 방전 시 다시 수축되긴 하지만 이전과 같은 형태로 돌아오진 않는다. 이는 배터리의 안정성에 위협이 되고 많은 시간과 비용을 투자해야만 안정성을 확보할 수 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

 

연구팀은 이러한 실리콘의 불안정성을 해결하고자 열처리를 통해 다공성의 특징을 띠게 한 실리콘 음극 상에 그래핀 산화물을 용액 공정으로 도포하고 진공 증착법을 통해 금속 산화물 박막을 코팅했다. 

 

김형진 교수는 “이번 연구는 후공정을 통해 부피 팽창에 취약한 음극의 안정성을 개선하는 선례를 제시했다는 데 가장 큰 의의가 있다”며 “향후 고에너지 밀도의 음극 상용화를 앞당길 수 있는 새로운 공정의 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

 

지스트 김형진 교수와 한국에너지기술연구원 우중제 박사가 주도하고 김지훈 박사가 참여한 이번 연구는 지스트 내 연구조직인 ‘지스트 연구원(GRI)’ 및 한국에너지기술연구원 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 및 연료 분야 상위권(7%)의 국제 저명 학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A’의 최신호(3월 21일) 온라인판에 게재됐다.

 

헬로티 이동재 기자 |