이번 연구를 수행한 한국생산기술연구원, 전남대학교 공동 연구팀. 임진섭(왼쪽부터) 수석연구원 ,류보은 학생연구원, 김민영 수석연구원, 윤창훈 교수, 정영훈 학생연구원.[한국생산기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 리튬이온배터리가 충·방전을 반복할수록 쉽게 손상되는 실리콘 음극의 안정성을 높이는 기술을 개발했다.

한국생산기술연구원 서남기술실용화본부 에너지나노그룹 임진섭 수석연구원 연구팀은 전남대학교 윤창훈 교수 연구팀과 함께 실리콘 입자를 안정적으로 지지하는 3차원 전도성 골격을 구현, 적외선 레이저 처리를 더해 골격 간 연결성을 높임으로써, 충·방전 과정에서 발생하는 실리콘 음극의 구조 손상을 완화하는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

최근 리튬이온배터리의 음극 소재로 기존 흑연보다 많은 리튬을 저장할 수 있는 실리콘이 주목받고 있다. 하지만 실리콘은 충방전 과정에서 부피가 크게 팽창수축하는 특성으로 인해 배터리 용량이 빠르게 감소하는 단점이 있다.

연구팀은 실리콘 음극의 구조 손상을 줄이기 위해 마이크로 실리콘 입자에 셀룰로오스-탄소나노튜브 복합체(C-CNT)를 결합해 음극층을 만들었다.

C-CNT는 식물 섬유인 셀룰로오스와 전기가 잘 통하는 탄소나노튜브를 결합한 복합체다.

음극층 안에서 이 복합체가 서로 얽히며 형성된 3차원 지지 구조물(Scaffold)이 실리콘 입자를 촘촘히 감싸 잡아 주고, 전자 이동 통로 역할도 함께 수행해 충·방전 과정에서도 음극 구조가 안정적으로 유지될 수 있다.

연구팀은 파장 1070나노미터(㎚)의 적외선 레이저를 조사해 C-CNT를 실리콘 표면에 결합시켜 두 소재 간 결합력을 높였다.

코인셀 배터리 구조.[한국생산기술연구원 제공]

개발된 음극은 전기화학 특성 평가 결과 초기 용량과 용량 유지율이 모두 개선된 것으로 나타났다.

저속 충·방전 조건인 0.1C에서 2,213밀리암페어시 퍼 그램(mAh/g), 고속 충·방전 조건(2.0C)에서 1,350mAh/g의 초기 용량을 기록했다.

100회 충ㆍ방전 후 용량 유지율은 레이저 처리를 하지 않은 실리콘 음극 34%보다 2배 이상 높은 71%의 수명 특성을 기록했다.

임진섭 수석연구원은 “이번 성과는 실리콘 음극의 저장 용량을 높였을 뿐 아니라 반복 사용 중 음극 구조가 손상되는 문제를 줄였다는 데 큰 의미가 있다”면서 “향후 대면적 전극 제조 조건과 실제 셀 적용 가능성을 단계적으로 검증할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 온라인판에 게재됐다.