한국연구재단은 울산과학기술원(UNIST) 이현욱·류정기 교수 연구팀이 리튬이온전지 용 차세대 음극 소재인 실리콘의 단점을 보완할 수 있는 제조 기술을 개발했다.

리튬이온전지는 대용량에너지저장장치(ESS)나 전기자동차 등에 널리 쓰인다.

현재 상용화한 리튬이온전지는 흑연을 음극으로 사용하고 있지만, 시간이 지나면서 팽창하는 흑연의 성질 때문에 전지 용량이 줄어드는 등 한계가 있다.

실리콘은 흑연에 비해 에너지 밀도가 10배 이상 높아 차세대 음극 소재로 주목받고 있지만, 전기전도도가 낮고 충·방전이 반복될수록 부피가 팽창하는 등 문제 때문에 상용화가 쉽지 않다.

▲ 실리콘 나노 튜브 합성과정 모식도

연구팀은 점토광물을 열·화학적으로 처리해 나노튜브(지름이 수 나노미터 크기인 터널 모양) 구조의 실리콘을 만들었다.

여기에 탄소층을 코팅, 흑연과 결합시켜 새로운 '실리콘-흑연 복합체' 전극을 제작했다.

기존 구 모양의 실리콘 나노입자는 충·방전시 부피가 팽창해 입자가 파괴되는 등 문제가 있어 실리콘 함량을 15% 미만으로 제한해야 했다.

연구팀이 제작한 실리콘 나노튜브는 튜브 내부의 빈 공간을 통해 부피 변화를 완충할 수 있어 실리콘 함량을 최대 42%까지 높일 수 있다.

이현욱 교수는 "이 기술을 통해 실리콘 함량을 높여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있고, 희귀 금속이 아닌 점토광물을 원재료로 하기 때문에 제작비용을 크게 줄일 수 있다"며 "고용량 이차전지용 음극물질 개발에 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제학술지 '나노 레터스'(Nano Letters)'에 지난 1일 자로 실렸다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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