리튬이온전지 성능 높일 실리콘 음극재 개발
- - 실리콘 기반 고엔트로피 합금 소재 이용 성능 저하 문제 해결 -
□ 리튬이온전지의 에너지밀도를 향상시킬 수 있는 실리콘 음극재*가 개발됐다. 현재 상용 음극재로 사용되고 있는 흑연의 용량 한계를 극복할 것으로 기대되고 있다.
* 음극재(negative electrode) : 배터리 소재는 크게 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 등 4가지로 나뉘며, 이중 음극재는 충전과정에서 환원반응을 하면서 리튬을 저장하고 방전과정에서 산화반응에 의해서 리튬을 방출함.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 박호석 교수(성균관대학교) 연구팀이 실리콘 기반 고엔트로피 합금(high entropy alloy)* 소재를 통해 고용량, 장수명 리튬이온전지** 음극 소재 개발에 성공했다고 밝혔다.
* 고엔트로피 합금 : 주된 원소에 보조 원소를 더하는 일반적인 합금과는 달리, 주된 원소 없이 여러 원소를 5% 이상으로 비교적 동등한 비율로 혼합함으로써 혼합엔트로피가 1.5R 이상인 소재로써 합금의 조합을 통해서 다양한 물성 구현이 가능함.
** 리튬이온전지 : 리튬 이온을 캐리어로 사용, 전기화학적 산화‧환원 반응을 통해서 충방전 반복이 가능한 2차전지로, 스마트폰과 노트북 등에 사용됨.
□ 글로벌 전기차 시장이 커지면서 배터리 기술 경쟁도 치열해지고 있는 가운데, 음극재인 흑연 용량 한계(이론용량 372mAh/g)를 극복하기 위해서 고용량 실리콘(이론용량 4,200mAh/g)으로 대체하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
○ 그러나 실리콘 소재의 경우 낮은 전기전도도 뿐만 아니라 충·방전을 반복하면 부피가 팽창해 장기 안정성이 저하된다는 문제점이 있다.
□ 연구팀은 다양한 조성의 원소들로 이루어진 실리콘 기반 고엔트로피 합금 소재를 개발, 한 가지 소재로 구현하기 어려운 물성을 부여해 실리콘의 성능 저하 문제를 해결했다.
○ 고에너지 볼밀링 합성법*을 사용하여 합성 방법의 공정을 최소화하면서, 고용량의 실리콘(Si), 고반응성의 인(P), 빠른 리튬이온 전도성을 가진 게르마늄(Ge), 자가 복원력을 가진 액체 금속의 갈륨(Ga)의 장점을 도입한 GaGeSiP3 소재를 개발하는 데 성공했다.
* 볼밀링(ball milling) : 금속 실린더와 볼로 구성되어서 실린더가 회전할 때 볼과 재료가 마찰과 원심력에 의해서 재료를 미세한 분말로 분쇄하거나 혼합하기 위한 분쇄 장치임.
○ GaGeSiP3 소재의 경우, 고전류 밀도에서도 949mAh/g의 높은 율속* 용량을 보였고, 2,000회 충·방전 이후에도 1,121mAh/g의 높은 용량을 유지하는 것으로 확인됐다.
* 율속 : 충방전 속도를 높임에 따른 용량 유지율이 좋아지거나 나빠지는 특성.
□ 박호석 교수는 “이번 연구는 리튬이온전지 에너지밀도를 향상시키기 위한 핵심 소재인 실리콘의 문제점을 해결할 수 있는 방안을 제시했을 뿐만 아니라, 고엔트로피 합금 소재를 반응성이 높은 인(P) 원자에서도 처음으로 구현하였다는 점에서 의의가 있다”고 밝혔다.
○ 또한, 이번 연구를 통해 실리콘 기반 고엔트로피 합금 소재 설계 기준을 제시한 만큼 향후 다양한 조합의 고엔트로피 소재 합성을 통해 구조 및 조성 최적화, 배터리 성능 향상을 위한 양극 최적화 등의 추가 연구를 수행할 계획이다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구 사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 4월 16일 게재되었다.
