상용화 위해 긴 수명 확인 과제
한국과학기술연구원(KIST)은 2일 청정신기술연구소의 에너지저장연구단 이민아 박사, 에너지소재연구단 홍지현 박사 공동연구팀이 고용량 배터리를 위한 음극 공정 기술을 개발했다고 밝혔다.
최근 전기차의 주행거리 향상을 위해 현재 사용하는 리튬 배터리의 음극 소재인 흑연보다 에너지를 4배 이상 저장할 수 있는 실리콘이 음극 소재로 높은 이론적 전기 용량을 가지고 있어 차세대 음극 소재로 기대 받고 있다.
실리콘계 음극 배터리는 생산 후 첫 충전 시 전력저장에 사용되어야 할 리튬 이온이 20% 이상 손실돼 전체 배터리의 용량이 줄어드는 문제점을 갖고 있었다. 이를 보완하기 위해 손실될 리튬을 미리 추가하는 '사전 리튬화' 방법이 연구되고 있다. 기존에 제시된 리튬 분말 이용 제작법은 폭발 위험성이 높고 균일하게 리튬을 침투 시키기 어려운 문제가 있었다.
이민아·홍지현 박사 연구팀은 분말이 아닌 용액을 활용한 사전 리튬화 전처리 기술을 개발해 실리콘계 음극의 리튬 소모를 차단했다. 환원성이 높은 분자구조를 고안해 고환원성 사전 리튬화 용액을 개발했고 이를 공정에 적용해 실리콘 음극에 리튬을 화학적으로 삽입시키는 데 성공했다.
연구진이 개발한 용액을 이용해 5분간 전처리를 거친 실리콘계 음극은 첫 충전 시 리튬 손실이 1% 이내로 감소하여 99%를 웃도는 높은 초기 효율을 보였다. 이러한 방식으로 처리한 음극을 이용해 배터리를 제작한 결과 상용 배터리의 에너지밀도 406Wh/kg(킬로그램 당 와트시) 대비 25% 높은 504Wh/kg를 얻을 수 있었다.
이민아 박사는 "전산재료과학 기법으로 설계한 최적의 분자구조를 활용, 용액의 온도와 처리 시간만 조절하는 간단한 방법으로 고용량 실리콘계 음극의 효율을 높일 수 있었다"며 "기존 공정에 쉽게 적용할 수 있어 기존 업계의 전지 제조 설비를 활용한 양산 가능성이 매우 크다"고 전망했다.
홍지현 박사도 "이 전처리 기술을 활용하면 전기차의 주행거리가 현재보다 평균적으로 최소 100km 이상 늘어날 수 있을 것"이라고 밝혔다.
이번 연구결과는 화학 분야 국제학술지 응용 화학 국제판(Angewandte Chemie : International Edition)에 표지논문(Inside Cover)으로 선정돼 출판될 예정이다.
