조재필 UNIST 교수팀, 차세대 급속 충전용 고용량 음극소재 원천기술 확보
가장자리 활성화 흑연-실리콘 복합체 합성 모식도
[울산=일요신문] 송희숙 기자 = 친환경 전기 자동차의 최대 난점이었던 배터리에 용량과 충전시간을 보완할 기술이 UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수팀에 의해 개발됐다.
UNIST 조재필 교수팀은 기존 베터리에 활용되던 흑연 음극소재 보다 빨리 충전되고 더 오래 쓸 수 있는 차세대 소재를 개발했다고 밝혔다.
전기자동차가 주목받으면서 동력원인 이차전지의 용량을 키우고 충전시간을 줄이는 게 중요해졌다. 하지만 기존 흑연 음극소재는 리튬이온을 저장할 수 있는 용량 자체가 적고, 고속으로 충전하면 음극소재 표면에 리튬 금속이 석출돼 전지 성능과 안전성을 떨어뜨리는 단점이 있다.
이런 단점을 극볼할 물질로 흑연보다 10배 이상 용량이 큰 실리콘 소재가 차세대 음극 물질로 주목받고 있다. 하지만 실리콘 소재는 전기 전도도가 낮고, 충전과 방전 시 부피가 급격히 변하는 문제로 고용량과 고속 충전을 동시에 구현하는 리튬이온전지는 난제로 남아있었다.
조재필 교수팀은 기존 음극소재의 한계를 극복하기 위해 새로운 구조를 가진 흑연/실리콘 복합체를 합성하는 방법을 제안했다. 이 방법으로 합성한 ‘가장자리 활성화 흑연/실리콘 복합체’는 상용화된 전극 조건에서 1.5배 빨리 충전됐고, 용량도 50% 정도 늘었다.
이번 연구의 주역인 김남형 UNIST 에너지 및 화학공학부 석·박사통합과정 대학원생은 “이 기술의 핵심은 흑연에 리튬이온이 빠르게 드나들 수 있는 고속도로를 만들어주는 ‘니켈 촉매 환원법’과 안정적으로 용량을 높여주는 ‘실리콘 나노 코팅’이다”며 “새로운 물질은 기존 흑연과 실리콘이 갖는 문제점을 동시에 해결해 차세대 고용량 음극소재로 적용 가능성을 입증했다”고 설명했다.
니켈은 탄소와 수소를 반응시키는 촉매로 작용할 수 있다. 연구진은 이 점을 이용해 흑연 음극소재의 가장자리에 니켈을 붙이고 수소와 반응시켰다. 그 결과 흑연 가장자리에 있는 탄소가 메탄(CH4) 가스로 변했다. 이런 반응이 연속적으로 일어나면 흑연 가장자리에 구멍이 생기면서 리튬이온이 쉽게 드나드는 길이 열린다. 이런 통로가 많아지면서 결과적으로 전지를 빨리 충전할 수 있게 된 것이다.
차세대 배터리 음극소재를 개발한 연구팀의 모습_왼쪽부터 채수종 연구원 김남형 연구원 마지영 연구원 조재필 교수
연구진은 또 가장자리에 구멍이 생긴 흑연에 실리콘을 얇게 코팅해 기존 흑연 음극소재보다 용량을 늘리는 구조를 만들었다. 흑연의 높은 전도성과 실리콘의 고용량 특징을 모두 살린 것이다.
조재필 교수는 “실리콘 나노 코팅 원천기술로 머리카락의 만 분의 일에 가까운 두께(20㎚ 이하)의 실리콘을 흑연 표면 위에 고르게 코팅해 고성능 흑연/실리콘 복합체를 구현했다”며 “전체 공정이 비교적 간단하고 저렴해 대량생산도 가능하다는 장점이 있다”고 말했다.
그는 이어 “이번 연구는 전기자동차나 대용량 에너지저장장치(ESS)처럼 에너지 밀도가 크고 출력이 높은 배터리에 쓰일 음극소재를 만드는 데 성공적으로 적용 가능할 것”이라고 덧붙였다.
이번 연구결과는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 9일자 온라인판에 게재됐다. 연구 수행은 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 이뤄졌다.
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