화학뉴스

울산과학기술원(UNIST)가 전기자동차(EV) 주행거리를 대폭 늘릴 수 있는 고용량 음극재 내구성 관련 기술을 개발했다.
전기자동차는 주행거리가 배터리 용량에 비례하며 LiB(리튬이온전지)에 주로 사용되고 있는 흑연 소재보다 이론적으로 10배 이상 용량이 큰 실리콘(Silicone) 계열 소재가 있으나 내구성이 문제로 지적되고 있다.
실리콘은 충·방전할 때마다 부피가 여러 배(360%) 부풀어 손상되기 쉽고 폭발 위험도 있어 현재는 흑연에 섞어 쓸 수 있는 실리콘계 소재 함량이 5%(400mAh/g급) 정도에 그치고 있다.
조재필 UNIST 에너지화학공학과 특훈 교수팀은 실리콘 계열 소재 내구성을 획기적으로 개선하는 합성기술을 개발했다.
급격한 부피 변화를 막기 위해 실리콘 음극재 입자를 최대한 작게 만들어야 하기 때문에 기상증착과정 중 핵 성장 억제를 활용해 입자 크기를 1나노미터 이하로 줄일 수 있는 합성법을 만들었다.
음극재를 이루는 입자들은 핵에 원자들이 달라붙어 점점 커지는 성장 과정을 거쳐 하나의 입자(결정)로 완성되기 때문에 핵은 많이 만들면서 핵 성장은 억제하면 입자를 작게 만들 수 있을 것으로 판단했다.
연구팀은 실리콘 핵 형성 이후 바로 성장을 억제할 수만 있다면 실리콘 크기를 매우 작게 구현할 수 있을 것이라는 가정을 세웠고 실리콘 원료인 실레인 가스와 함께 더 안정적인 에틸렌(C2H4) 가스를 주입하면 핵 성장이 억제되는 것을 확인했다.
이를 바탕으로 실제 실험을 진행한 결과 1나노미터 이하 실리콘이 형성될 수 있다는 것을 규명했으며 합성된 음극재 부피 팽창률은 상용 흑연 소재의 13%와 유사한 15% 정도로 나타났다.
또 2800회 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 91%를 유지한 것으로 알려졌다.
연구팀은 실리콘계 음극 소재를 적용한 배터리 셀에서 500회 이상 충·방전 수명을 갖는 유의미한 실험 결과가 보고된 전례가 없고 흑연 위에다 바로 실리콘카바이드 합성이 가능해 흑연과 실리콘카바이드를 섞는 별도 공정이 필요 없다는데 주목하고 있다.
연구팀은 “전기자동차 뿐만 아니라 고용량 ESS(에너지저장장치)에도 적용이 가능할 것”이라며 “합성기술은 모든 공정이 건식 공정이라 대량생산이 쉽고 비용 절감 효과도 있을 것”이라고 강조했다.
연구 결과는 네이처 에너지(Nature Energy) 12월13일자에 공개됐다. (K)