한국연구재단은 이현욱·류정기 울산과학기술원(UNIST) 교수 연구팀이 차세대 리튬이온전지 음극재로 주목받는 실리콘의 단점을 보완한 복합 음극재 제조기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

기존 음극재로 가장 많이 사용되는 흑연은 부피당 용량이 적은 한계로 인해 고용량 구현이 어려웠다. 에너지밀도 흑연에 비해 10배 이상 높은 `실리콘`이 그 대안으로 주목받지만, 전기전도도가 낮고 충전과 방전이 반복될수록 부피가 팽창해 전극 성능 감소문제로 상용화하기 어려웠다.

특히 일반 구(球)형의 실리콘 나노입자는 충·방전시 약 4배 가량 부피가 팽창, 완충구조가 없을 경우 입자가 파괴될 수 있다. 때문에 기존 전극들은 팽창률을 고려해 실리콘 함량을 최대 15% 미만으로 제한했다.

연구팀은 점토광물(고령토 산출 할로이사이트)을 가공해 실리콘 나노튜브를 제작, 표면에 탄소층을 코팅한 뒤 흑연과 복합화하는 방식으로 새로운 실리콘-흑연 복합체 전극을 만들어냈다.

이 실리콘 나노튜브는 튜브 내부의 빈 공간이 충·방전 과정에서 부피 변화를 완충해줘 실리콘 함량을 기존 14%에서 42%까지 대폭 높일 수 있었다. 실리콘 함량의 증가는 곧 에너지 밀도 향상을 뜻한다.

한국연구재단 관계자는 "향후 대용량에너지저장장치(ESS)나 전기자동차에서 요구되는 고용량 이차전지용 음극물질 개발의 실마리가 될 수 있을 것"이라고 내다봤다.

연구성과는 국제학술지 `나노 레터스(Nano Letters)` 11월 1일자에 게재됐다.

주재현 기자

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