리튬 배터리 음극 용량 2.6배 늘리는 전처리 용액 개발

KIST 청정신기술연구본부 연구팀, 왼쪽 상단부터 최진관 학생연구원, 홍지현 선임연구원, 정향수 선임연구원, 이민아 선임연구원. (자료제공: KIST)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이민아 박사, 에너지소재연구센터 홍지현 박사, 수소·연료전지연구센터 정향수 박사 공동연구팀이 리튬 배터리의 흑연-실리콘 복합음극 제작과정에 활용할 수 있는 전처리 용액을 개발해 실리콘 함량을 50% 이상으로 늘림으로써 기존 대비 2.6배 이상의 용량을 갖는 음극 소재를 제작하는 데 성공했다고 지난달 15일 밝혔다.
상용화된 리튬 배터리는 대부분 음극 소재로 흑연을 사용하고 있는데, 실리콘은 흑연보다 에너지 저장능력이 5~10배 높아 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 하지만 실리콘은 흑연에 비해 3배가량 많은 양의 리튬을 소모하기 때문에 흑연을 완전히 대체하지 못하고 있다. 흑연과 실리콘을 혼합한 흑연.실리콘 복합전극은 실리콘의 높은 용량과 흑연의 우수한 수명특성을 상호보완적으로 사용할 수 있어 리튬이온배터리의 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.
흑연.실리콘 복합음극은 실리콘의 함량이 높을수록 용량은 커지지만, 초기 손실도 함께 높아지기 때문에 현재로서는 실리콘 함량을 15% 이상으로 늘리지 못하고 있으며, 실리콘 함량을 50%로 했을 때는 전체 리튬의 40%가 초기에 손실된다.
이를 해결하기 위해 손실될 리튬을 음극에 미리 추가로 공급해주는 사전리튬화 방법이 다양하게 연구되고 있다. 이민아 박사팀은 전극을 특수한 용액에 담갔다 빼는 공정을 개발해 실리콘 전극의 초기 리튬 소모를 차단한 바 있다. 연구진은 해당 공정을 상용화 가능성이 큰 흑연-실리콘 혼합소재에 적용하고자 했다.
하지만 실리콘과 흑연은 리튬을 저장하는 화학적 원리가 달라 기존의 실리콘 소재용 전처리 용액을 사용할 경우 흑연구조 내부로 용액 내의 리튬이온이 아닌 다른 물질이 함께 들어가 흑연의 구조가 파괴됐다. 연구팀은 이러한 전극 파괴를 방지할 수 있도록 용액 내 분자들의 상호작용 세기를 조절, 새로운 조성의 용액을 개발하여 실리콘과 흑연이 혼합된 전극에서도 안정적으로 손실될 리튬을 공급할 수 있게 됐다.
흑연.실리콘 전극을 해당 용액에 1분 정도 담그면, 실리콘의 비율을 50%까지 올려도 초기 리튬 소모 현상을 완전히 차단, 첫 충전 시 1% 이하의 리튬을 소모해 100%에 가까운 높은 초기효율을 보였다. 이를 통해 개발한 전극은 기존 흑연만을 사용한 음극에 비해 약 2.6배 높은 용량을 가지며, 250회 충·방전하는 내구성 시험 후에도 87.3%의 용량이 유지되는 우수한 수명특성을 보였다.
이민아 박사는 “이번 연구를 통해 기존 15% 이내에 머물던 흑연-실리콘 복합음극 내의 실리콘 함량을 50% 이상으로도 올릴 수 있을 것으로 보이며, 보다 높은 용량을 지니는 배터리 생산이 가능하다”며 “향후 전기자동차의 주행거리를 획기적으로 향상시키는 데 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 화학분야 국제학술지 ‘미국화학회지’ 최신호에 게재됐다.