국내 연구진이 리튬 이온 배터리 열화를 부르는 음극재 팽창 등 현상의 메커니즘을 확인했다. 안전성과 효율을 높이는 새로운 소재 설계 방향 제시가 가능할 전망이다.
한국과학기술연구원(KIST)은 안재평 연구자원·데이터지원 본부장, 김홍규 특성분석·데이터센터 박사팀이 리튬이온 이동으로 배터리 내부 음극 소재가 팽창 및 열화되는 과정을 실시간 관찰하는 데 성공했다고 1일 밝혔다.
리튬 이온 배터리 성능과 수명은 충·방전 과정에서 발생하는 내부 전극 물질 변화에 따른 것으로 알려져 있다. 하지만 배터리 내부 전극 등 주요 소재들은 대기 노출 시 오염돼 물질 이동과 소재 변화를 관찰하기 어려웠다.
연구진은 실리콘-흑연 복합 음극 소재 실시간 관찰에 성공했다. 이론상 실리콘 충전용량은 기존 흑연보다 10배 더 높지만 충전 과정에서 실리콘 나노입자 부피가 4배 가까이 팽창해 성능 및 안전성 확보에 난항을 겪고 있었다.
KIST 연구진은 자체 구축한 배터리 분석플랫폼을 통해 충전 중 리튬 이온이 실리콘-흑연 음극 복합체로 이동하는 과정을 직접 관찰하고 나노 기공의 실질적인 역할 규명을 시도했다. 그 결과 리튬 이온이 흑연, 나노 기공, 실리콘 순서로 주입되는 현상을 실시간 관찰하는 데 성공했다.
기공 크기가 마이크로 단위일 경우에는 기존에 알려진 대로 실리콘의 부피 팽창을 완화해주지만, 나노 크기 기공은 실리콘 부피 팽창을 수용하는 것이 아니라 리튬 실리콘 입자보다 먼저 리튬 이온을 저장하는 역할을 담당했다. 따라서 음극 소재 설계 시 실리콘 부피 팽창을 완화해 소재 안전성을 높이는 동시에 마이크로, 나노 크기의 기공들을 적절히 분배하는 설계법을 도입할 필요가 있음을 밝혀냈다.
안재평 본부장은 “제임스 웹 천체 망원경이 우주탐사 신기원을 열었다면 KIST의 배터리 분석플랫폼은 전기 배터리 구조변화 관찰을 가능하게 함으로써 소재 연구에 새로운 지평을 연 것”이라며 “향후 대기 노출에 영향을 받지 않는 배터리 소재의 구조변화 관찰을 통해 배터리 소재 설계 혁신에 필요한 추가연구를 이어 나갈 계획”이라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 한국연구재단 나노소재원천기술개발사업 및 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 배터리 분야 국제학술지 'ACS Energy Letters' (IF: 23.991, JCR 분야 상위 3.21%) 최신 호에 게재됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
