UNIST가 상용 전지에 적용 가능한 실리콘 음극재 평가·분석 프로토콜을 제시했다.
UNIST(총장 이용훈)는 조재필 에너지화학공학과 특훈교수팀이 실리콘 음극 물질을 상용 전지에 사용하기 위해 확보해야 할 특성과 문제점을 분석한 리뷰 논문을 '네이처 에너지'에 게재했다고 29일 밝혔다.
실리콘 음극물질은 현재 가장 주목받는 이차전지 소재다.
하지만 충·방전 시 흑연 대비 5배 이상의 부피 팽창과 수축으로 부서짐 현상이 발생한다. 이로 인해 전해액과 분해 반응이 가속화되고 표면 막이 두껍게 형성되면서 리튬이온 이동을 저해해 수명 저하를 일으킨다.
일례로 전기차 전지에 사용하고 있는 실리콘 음극소재는 초기 효율 80% 대에 전도도도 낮아 고속 충전에 문제를 안고 있다.
조 교수팀은 개발 중인 실리콘 소재 초기 효율이 86% 이하여서 94%인 흑연에 비해 낮아 효율이 떨어진다는 문제를 지적했다. 실리콘 소재는 입자가 커질수록 팽창·수축으로 생기는 부서짐 현상이 가속화돼 급격한 수명 저하와 가스발생 등 저효율로 이어진다는 분석이다.
이어 해결책으로 실리콘 입자 크기를 5나노미터(㎚) 이하로 줄여 전도성 탄소 입자에 균일하게 분산하는 기술을 제시했다.
조 교수팀은 지난 2021년 12월에 원료 물질을 기체상에서 탄소 복합입자에 증착해 실리콘 입자크기를 1㎚ 이하로 줄이는 합성 기술을 개발, 논문으로 발표했다. 초기 효율이 90% 이상이고 수명도 개선된다는 것을 확인했다.
조재필 특훈교수는“현재 전문 학술지에 보고된 실리콘 음극재 평가 방법은 다소 한정돼 있어 상용화 가능성 여부를 판단하기 힘들었다”며 “이번 리뷰 논문으로 상용화 가능한 실리콘 음극재 연구개발이 더 활발하게 이뤄지길 기대한다”고 말했다.
이번 리뷰 논문은 네이처 에너지 편집장 요청으로 작성됐다. 성재경 경상국립대 교수가 공동교신저자로 참여했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com