동국대, 리튬이차전지 고용량 음극 소재기술 개발

[베리타스알파=김하연 기자] 동국대는 융합에너지신소재공학과 강용묵 교수 연구팀이 리튬이차전지 고용량 음극 소재기술 개발에 성공했다고 3일 밝혔다.

강 교수팀은 현재 리튬이차전지에서 가장 유력한 차세대 음극 소재로 고려되고 있는 실리콘계 음극 소재의 수명 특성을 수백 싸이클(cycle) 이상까지 유지할 수 있는 기술을 개발했다.

신재생 에너지 기술의 핵심이라 할 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS) 및 전기자동차(EV) 부문은 높은 출력과 에너지 밀도를 동시에 구현할 수 있는 이차전지를 필요로 한다. 단기적으로 이러한 목표의 달성을 위해서는 고전압 양극 소재 개발과 함께 음극 소재의 고용량화가 필수적인 것으로 인식되고 있다. 이로 인해, 다양한 신규 고용량 음극 소재가 제시되어 왔지만 중심원소인 실리콘과 주석 등의 부피팽창에 따른 급격한 퇴화로 인해 상용화에 어려움을 겪어왔다.

연구팀은 다년간의 연구를 통해 실리콘계 소재의 주요 퇴화원인이 단순한 부피팽창이 아닌 실리콘 입자의 음극 소재 내에서의 이동 및 표면에서 일어나는 전해질의 불완전 분해 등에 있다는 것을 알아냈다. 이에, 도파민(Dopamine)층을 이용해 실리콘 입자를 환원 그래핀 산화물의 특정 위치에 고정함으로써 실리콘계 음극 소재의 주요 퇴화원인 두 가지를 모두 해결했다. 전자현민경 분석과 전극 두께 변화의 연계를 통해 해당 방법을 사용했을 때, 실리콘계 음극 소재의 물리적 특성과 전기화학적 특성이 모두 안정화될 수 있음을 확인했다.

연구를 주도한 강용묵 교수는 “리튬이온이차전지의 최종 목표가 전기자동차(EV)나 에너지 저장 시스템(ESS)에 적용하는 것임을 고려했을 때, 음극 소재의 고용량화 기술은 매우 중요한 부분이다. 이는 산업계나 학계에서 모두 이견이 없는 사항”이라며 “이번 연구는 산업적 가치가 높은 저비용 공정만으로 실리콘계 음극 소재의 수명 및 제반 특성의 안정화를 통해, 해당 소재의 사용영역 확대 가능성을 보여줬다는 점에서 큰 의의가 있다. 이번에 개발된 기술의 상용화 가능성을 타진하기 위해 여러 업체와 협의 중에 있다”고 말했다.

한국연구재단 기후변화대응 기술개발사업 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 결과는 지난달 30일 발행된 에너지 환경분야 권위지 ‘Advanced Energy Materials’ 인터넷 판에 게재되기도 했다.