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울산과학기술원(UNIST)은 조재필 특훈교수 연구팀이 고용량 음극 소재인 실리콘 계열 소재의 내구성을 획기적으로 향상시킨 합성기술을 개발했다고 13일 밝혔다.
실리콘은 리튬이온배터리에 널리 쓰이는 흑연 소재보다 이론적 용량이 10배 가량 크지만, 충·방전 때마다 실리콘 부피가 팽창과 수축을 반복하면서 구조적 손상이 일어나 내구성이 떨어진다. 또 팽창 때 발생하는 가스에 의한 폭발 위험도 있어 흑연에 섞어 쓸 수 있는 실리콘계 소재의 한계 함량은 5% 정도로 알려져 있다.
이 때문에 실리콘 음극재 입자를 최대한 작게 만들어 급격한 부피 변화를 막아야 하는데, 덩어리 형태인 실리콘을 잘게 부수는 방식에는 한계가 있었다.
연구팀은 기상증착과정(가스형태의 원료물질을 증착해 소재를 합성하는 방법)에서 음극재의 씨앗 단계인 '핵'의 성장을 억제해 실리콘 입자 크기를 1나노미터 이하로 줄이는 데 성공했다. 핵의 성장 억제를 양자역학계산을 통해 해결한 것이다.
연구팀은 또 실리콘 입자를 둘러싼 실리콘카바이드가 실리콘을 보호하는 역할을 하도록 함으로써 내구성과 배터리 용량을 높였다. 실리콘이 배터리 전해액과 반응하는 것을 실리콘카바이드가 막도록 설계한 것이다.
이렇게 합성된 음극재의 부피 팽창률을 측정한 결과, 상용 흑연 소재와 유사한 15% 내외에 그쳤고, 상용 흑연 소재는 충전시 13% 정도 팽창했다. 상용 수준의 각형 셀 평가에서도 2800회 충·방전을 반복한 후에도, 초기 용량의 91%를 츄지했다. 지금까지 실리콘계 음극 소재를 적용한 배터리 셀에서 500회 이상 충·방전 이후에도 수명을 유지하는 것은 이번이 처음이라고 연구팀은 설명했다.조재필 특훈교수는 "실리콘 음극재의 고질적 문제들을 효과적으로 해결할 수 있는 새로운 합성법을 개발했다는 데 의미가 있다"며 "합성 기술은 모든 공정이 건식 공정으로 대량 생산이 쉽고, 생산 비용 절감 효과도 있다"고 말했다.
이 연구결과는 에너지 분야 국제 학술지 '네이처 에너지(13일자)'에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr
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