이차전지 음극재에서 실리콘 크기를 5㎚ 이하로 줄여 전도성 탄소 입자에 균일하게 분산해야 수명저하와 가스발생을 막을 수 있는 것으로 연구됐다. 이에 관련 기술도 개발돼 향후 실리콘 음극재 개발이 더욱 활성화 되는 계기가 될 것으로 기대된다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 조재필 특훈교수팀은 최근 ‘Nature Energy’에 리뷰 논문을 실었다. 이차전지 소재로 가장 주목받는 실리콘 음극 물질들이 상용화 전지에 사용되기 위해 확보해야 할 특성 및 문제점을 심도 있게 분석했다.

실리콘 음극재는 충·방전 시 흑연 대비 5배 이상의 부피 팽창과 수축으로 인해 부서짐 현상이 발생한다. 이로 인해 전해액과의 분해 반응이 가속화되고 표면 막이 두껍게 형성돼 리튬이온의 이동을 저해함으로써 수명 저하를 일으킨다.

전기자동차의 배터리 음극에서 사용 중인 실리콘 소재는 마이크론(100만분의 1)크기의 입자인 SiOx 계통으로 5% 미만 함유돼 있지만, 사용되는 소재의 초기효율이 80%대에 전도도까지 낮아 고속 충전에 문제가 있다.

연구팀은 개발 중인 실리콘 소재들은 초기 효율이 86%이하로 94%인 흑연에 비해 낮아 양극의 사용 효율을 감소시킨다는 문제점을 지적했다. 실리콘 소재는 입자가 커질수록 효율 저하, 부피가 팽창·수축하면서 생기는 부서짐 현상이 가속화돼 급격한 수명 저하와 가스발생으로 이어진다고도 분석했다.

연구팀은 이번 논문을 통해 실리콘의 크기를 5㎚ 이하로 줄여 전도성 탄소 입자에 균일하게 분산하는 기술이 유일한 해결책이라고 언급했다. 지난 2021년 12월에 발표한 논문에서 원료 물질들을 기체상에서 탄소 복합입자에 증착해 실리콘 입자크기를 1㎚ 이하로 줄이는 합성 기술을 개발한 바 있다. 이소재의 초기효율을 90% 이상 구현하고 수명이 크게 개선됨을 확인했다.

조재필 특훈교수는 “현재 전문 학술지에 보고되고 있는 실리콘 음극재의 평가 방법이 다소 한정되어 있어 상용화 가능성 등의 여부를 판단하기 힘든 문제점이 있다”며 “본 논문을 통해 상용화 적용 가능한 실리콘 음극재에 대한 개발이 더욱더 활발하게 이루어질 것”이라고 기대했다.
 
이번 리뷰 논문은 에너지분야의 권위 학술지인 Nature Energy의 편집장의 초청으로 작성됐으며, 경상국립대학교 성재경 교수가 공동교신저자로 참여했다. 논문은 8월28일자(현지시각)로 공개됐다.