리튬이온전지 성능 높일 실리콘 음극재 개발 

- 실리콘 기반 고엔트로피 합금 소재 이용 성능 저하 문제 해결

논문명 : Generic synthesis of high-entropy phosphides for fast and stable Li-ion storage

저  자 : 박호석 교수(교신저자/성균관대학교), 리웬우(Wenwu Li) 교수(제1저자/성균관대학교), 리얀홍(Yanhong Li) 박사(제1저자/성균관대학교) 

리튬이온전지의 에너지밀도를 향상시킬 수 있는 실리콘 음극재(negative electrode : 배터리 소재는 크게 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 등 4가지로 나뉘며, 이중 음극재는 충전과정에서 환원반응을 하면서 리튬을 저장하고 방전과정에서 산화반응에 의해서 리튬을 방출함)가 개발됐다. 현재 상용 음극재로 사용되고 있는 흑연의 용량 한계를 극복할 것으로 기대되고 있다.

  한국연구재단(이사장 이광복)은 박호석 교수(성균관대학교) 연구팀이 실리콘 기반 고엔트로피 합금(high entropy alloy)(고엔트로피 합금 : 주된 원소에 보조 원소를 더하는 일반적인 합금과는 달리, 주된 원소 없이 여러 원소를 5% 이상으로 비교적 동등한 비율로 혼합함으로써 혼합엔트로피가 1.5R 이상인 소재로써 합금의 조합을 통해서 다양한 물성 구현이 가능함) 소재를 통해 고용량, 장수명 리튬이온전지(리튬이온전지 : 리튬 이온을 캐리어로 사용, 전기화학적 산화·환원 반응을 통해서 충방전 반복이 가능한 2차전지로, 스마트폰과 노트북 등에 사용됨) 음극 소재 개발에 성공했다고 5월 27일 밝혔다. 

  글로벌 전기차 시장이 커지면서 배터리 기술 경쟁도 치열해지고 있는 가운데, 음극재인 흑연 용량 한계(이론용량 372mAh/g)를 극복하기 위해서 고용량 실리콘(이론용량 4,200mAh/g)으로 대체하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 실리콘 소재의 경우 낮은 전기전도도 뿐만 아니라 충·방전을 반복하면 부피가 팽창해 장기 안정성이 저하된다는 문제점이 있다. 

  연구팀은 다양한 조성의 원소들로 이루어진 실리콘 기반 고엔트로피 합금 소재를 개발, 한 가지 소재로 구현하기 어려운 물성을 부여해 실리콘의 성능 저하 문제를 해결했다. 고에너지 볼밀링 합성법(볼밀링(ball milling) : 금속 실린더와 볼로 구성되어서 실린더가 회전할 때 볼과 재료가 마찰과 원심력에 의해서 재료를 미세한 분말로 분쇄하거나 혼합하기 위한 분쇄 장치임)을 사용하여 합성 방법의 공정을 최소화하면서, 고용량의 실리콘(Si), 고반응성의 인(P), 빠른 리튬이온 전도성을 가진 게르마늄(Ge), 자가 복원력을 가진 액체 금속의 갈륨(Ga)의 장점을 도입한 GaGeSiP₃ 소재를 개발하는 데 성공했다.

  GaGeSiP₃ 소재의 경우, 고전류 밀도에서도 949mAh/g의 높은 율속(율속 : 충방전 속도를 높임에 따른 용량 유지율이 좋아지거나 나빠지는 특성) 용량을 보였고, 2,000회 충·방전 이후에도 1,121mAh/g의 높은 용량을 유지하는 것으로 확인됐다. 

  박호석 교수는 “이번 연구는 리튬이온전지 에너지밀도를 향상시키기 위한 핵심 소재인 실리콘의 문제점을 해결할 수 있는 방안을 제시했을 뿐만 아니라, 고엔트로피 합금 소재를 반응성이 높은 인(P) 원자에서도 처음으로 구현하였다는 점에서 의의가 있다”고 밝혔다. 

  또한, 이번 연구를 통해 실리콘 기반 고엔트로피 합금 소재 설계 기준을 제시한 만큼 향후 다양한 조합의 고엔트로피 소재 합성을 통해 구조 및 조성 최적화, 배터리 성능 향상을 위한 양극 최적화 등의 추가 연구를 수행할 계획이다.

  과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구 사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’에 4월 16일 게재됐다. 

그림 1. 고엔트로피 소재의 합성 및 디자인 모식도.

a. 하이에너지 볼밀링을 이용하여 아연, 구리, 알루미늄, 갈륨, 저마늄, 실리콘 양이온과 인 음이온을 일정 비율로 섞어 실리콘 기반 고엔트로피 합금 소재를 합성하는 모식도. b. 고엔트로피화에 의한 전기화학적, 기계적 물성 향상을 보여주는 모식도.

그림 2. 실리콘 기반 중간엔트로피와 고엔트로피 합금의 구조와 전기화학 성능 비교 및 고엔트로피 합금의 리튬이온 저장에 따른 구조 변화 모식도.

고엔트로피화에 의한 전기화학 성능 향상을 보여주고, 리튬이온 저장에 다른 구조의 가역적 변화를 보여주는 모식도이다. 

<세라믹코리아 취재부>

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