화학뉴스

국내 연구진이 실리콘(Silicone) 음극재 상용화 가능성을 높여 주목된다..
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 조재필 특훈교수팀은 상용화된 배터리에 적용 가능한 실리콘 음극재를 평가할 수 있는 분석 프로토콜을 제시했다.
연구팀은 에너지 분야 국제 학술지 네이처 에너지(Nature Energy)에 게재한 리뷰 논문에서 2차전지 소재로 가장 주목받는 실리콘 음극 물질들이 상용화 전지에 사용되기 위해 확보해야 할 특성과 문제점을 분석했다.
실리콘 음극재는 충·방전 시 흑연 대비 5배 이상 부피 팽창과 수축으로 부서짐 현상이 발생하기 때문에 전해액과의 분해 반응이 가속화되고 표면 막이 두껍게 형성되면서 리튬 이온 이동을 저해해 수명이 줄어든다.
전기자동차(EV) 배터리 음극에서 사용되는 실리콘 소재는 미크론 크기 입자인 SiOx 계통으로 5% 미만 함유돼 있으나 소재 초기 효율이 80%대일 뿐만 아니라 전도도까지 낮아 고속충전에 문제가 있다.
연구팀은 현재 개발되고 있는 실리콘 소재들의 초기 효율이 86% 이하로 94%인 흑연에 비해 낮아 양극 사용 효율을 감소시킨다는 문제점을 지적했다.
또 실리콘 소재는 입자가 커질수록 효율이 저하되고 부피가 팽창·수축하며 생기는 부서짐 현상이 가속화돼 급격한 수명 저하와 가스 발생으로 이어지기 때문에 실리콘 크기를 5나노미터 이하로 줄여 전도성 탄소 입자에 균일하게 분산하는 기술이 유일한 해결책이라고 제시했다.
연구팀은 2021년 12월 발표 논문에서 원료 물질들을 기체상에서 탄소 복합입자에 증착해 실리콘 입자 크기를 1나노미터 이하로 줄이는 합성기술을 발표했으며 소재 초기 효율을 90% 이상 구현하고 수명이 크게 개선됨을 확인한 바 있다.
조재필 교수는 “현재 전문 학술지에 보고되고 있는 실리콘 음극재 평가 방법이 다소 한정돼 상용화 가능 여부를 판단하기 힘든 문제점이 있다”며 “논문을 통해 상용화할 수 있는 실리콘 음극재에 대한 개발이 더욱 활발하게 이루어질 것”이라고 강조했다.
리뷰 논문은 네이처 에너지 편집장 초청으로 작성돼 8월28일(현지시간) 공개됐으며 경상대 성재경 교수가 공동교신저자로 참여했다. (강)