리튬전지용 탄소-실리콘 음극재 개발…대용량 고속충전

KIST, 전분·물·기름·실리콘 이용…전기차·ESS에 활용 기대

휴대전화나 노트북 등에 이용되는 리튬이온전지의 성능을 높일 수 있는 소재가 개발됐다. 전분과 물처럼 일상에서 쉽게 구할 수 있는 원료를 쓴 데다 제작과정도 단순해 상용화 가능성을 높였다는 평가를 받는다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구단의 정훈기 선임연구원팀이 실리콘과 단단한 탄소 구조체로 만든 새 음극 소재를 개발했다고 21일 밝혔다.

현재 상용화된 리튬이온전지의 음극에는 주로 흑연이 사용되지만, 최근에는 전지 용량을 늘리기 위해 흑연 대신 실리콘 소재 음극을 사용하는 방안이 연구되고 있다. 그러나 실리콘 음극은 충전-방전 과정이 반복되면 부피가 팽창해 전지가 망가지는 단점이 있다.

연구진은 이런 문제를 해결하기 위한 연구를 해왔다. 2017년 연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 실리콘을 ‘틀’에 넣어 부피 변화를 막는 방법을 고안했다. 지름이 5~50㎛(마이크로미터=100만분의 1m) 정도인 단단한 탄소 구조체 안에 실리콘을 넣은 것이다.

당시에는 화학적으로 합성했는데, 이번에는 이 소재를 만드는 법을 단순화했다. 물에 옥수수와 고구마 등에서 나온 전분을 풀고, 기름에는 실리콘을 푼 다음 유화제를 넣어 섞은 뒤 가열 처리한 것이다. ‘혼합’과 ‘가열’ 과정을 거친 소재는 단단한 탄소 구조체 안에 실리콘이 들어간 복합체가 형태가 된다는 게 연구진의 설명이다.

KIST는 이 제작 과정을 “튀김을 만드는 것 같은 손쉬운 가열 공정”이라고 설명했다.

연구진이 개발한 음극재는 기존 흑연계 음극재보다 용량이 4배 큰 것으로 나타났다. 또 충전과 방전을 500회 거듭해도 성능이 유지되고 5분 안에 저장용량의 80% 이상을 채우도록 급속 충전도 가능한 것으로 나타났다.

정훈기 선임연구원은 “옥수수 전분처럼 일상에서 구하기 쉬운 재료를 활용했고, 재료를 혼합하고 열처리해 탄소-실리콘 복합소재를 개발했다”면서 “공정이 간단하고 특성이 우수하므로 대량 생산과 상용화 가능성이 크다”고 평가했다.

이어 그는 “(개발한 소재가) 앞으로 리튬이온이차전지에 적용되면, 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)에 활용될 수 있을 것”으로 내다봤다.

연구 결과는 지난해 12월 11일 국제학술지 ‘나노레터스'(Nano Letters)에 실렸다.

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