옥수수, 고구마 전분 사용, 튀김 공정을 응용한 배터리 음극소재가 개발됐다.

값싸고 손쉬운 공정으로 대량생산이 가능하고, 우수한 특성으로 상용화가 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 정훈기 박사팀은 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극 소재보다 전지 용량이 4배 이상 크고, 5분 만에 80%이상 급속충전도 가능한 실리콘 기반 음극소재를 개발했다고 밝혔다. 이를 전기자동차에 적용하면 주행거리가 지금보다 2배 이상 크게 늘어날 수 있다.

현재 상용화된 전기차 배터리는 흑연을 음극 소재로 사용하고 있지만, 전지 용량이 적어 내연기관 자동차보다 주행거리가 짧다는 한계가 있다. 장거리 주행이 가능한 전기차를 개발하기 위해, 흑연보다 에너지를 10배 이상 저장할 수 있는 실리콘이 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 하지만 실리콘은 충·방전이 반복되면 부피가 급격히 팽창하고 용량이 크게 줄어들어 상용화가 쉽지 않았다. 또한, 음극 소재로서의 실리콘은 안정성을 높이기 위해 여러 방법이 제시됐지만, 복잡한 공정과 높은 비용 때문에 아직까지 흑연을 대체하지 못하고 있었다.

탄소-실리콘 복합체 합성 과정 모식도.
물, 기름, 전분, 실리콘, 계면활성제로 유화액 제조로 마이셀을 형성시킨 다음, 가열과 탄화 과정을 거치면 탄소-실리콘 복합체가 형성됨.

KIST 정훈기 박사팀은 실리콘의 안정성을 높이기 위해 물, 기름, 전분과 같이 일상생활에서 쉽게 구할 수 있는 값싼 재료에 주목했다. 각각 물에 전분을 풀고, 기름에는 실리콘을 풀어서 섞은 뒤, 가열해 탄소-실리콘 복합소재를 만들었다. 튀김을 만드는 것과 같은 손쉬운 가열 공정을 통해 탄소와 실리콘 복합체를 단단하게 고정시킨 것이다. 이를 통해 충·방전 시 실리콘 음극재의 부피 팽창을 예방하였다.

연구진이 개발한 복합소재는 기존 흑연계 음극 소재에 비해 4배 이상 높은 용량(360mAh/g → 1,530mAh/g)을 보였으며, 500회 이상 충·방전에도 안정적으로 용량이 유지되고 5분 이내에 80% 이상 급속으로 충전할 수 있는 특성을 보였다. 이러한 우수한 특성은 탄소 구조체가 실리콘의 부피팽창을 억제해 실리콘 소재의 안정성을 높이고, 탄소의 높은 전기전도도와 실리콘 구조의 재배열을 통해 고출력 특성도 얻었기 때문이다.

본 연구를 주도한 KIST 정훈기 박사는 “옥수수 전분과 같이 일상생활에서 구하기 쉬운 재료를 활용하고, 복잡한 반응기 없이 재료의 단순 혼합과 열처리를 통해 탄소-실리콘 복합소재를 개발했다”며 “이러한 손쉬운 공정과 우수한 특성은 대량 생산과 상용화 가능성이 매우 크고, 향후 리튬이온 이차전지에 적용되어 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)에 활용될 것”이라고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 기후변화대응개발사업 등으로 수행, 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘Nano Letters’ (IF: 12.279, JCR 분야 상위 5.743%) 최신 호에 게재됐다.

* (논문명) Nano/Microstructured Silicon-Carbon Hybrid Composite Particles Fabricated with Corn Starch Biowaste as Anode Materials for Li-Ion Batteries

– (제 1저자) 한국과학기술연구원 권현정 석사과정(現, LG화학)

– (제 1저자) 전남대학교 신소재공학부 황장연 교수

– (교신저자) 한국과학기술연구원 정훈기 선임연구원

– (교신저자) 한양대학교 에너지공학과 선양국 교수

*용어설명

실리콘 음극

지금까지 연구되어 온 합금 계에서 가장 높은 용량을 가지는 실리콘 음극(4,200mAh/g)은 현재 상용화된 흑연계에 비해 10배가 넘는 이론 용량을 가져 전지의 경량화 및 고용량화를 실현할 수 있는 음극 활물질로 주목을 고 있다. 그러나 실리콘은 리튬의 삽입, 탈리(충전 및 방전)에 따른 부피 변화가 4배에 달하는 문제를 지니고 있다. 그러한 팽창으로 유도되는 균열(crack) 형성과 전류 집전체로부터 분리되어 전기화학적 특성이 상용화의 큰 걸림돌이 되고 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 큰 부피 변화 때문에 야기되는 기계적 응력을 최소화하고 전기화학적인 특성을 증진시키기 위해 연구를 진행하였다.