가천대학교 연구팀이 전고체전지용 순수 실리콘 음극의 성능과 수명을 크게 개선하는 기술을 개발했다. 기존 실리콘 음극의 구조 불안정 문제를 해결해 배터리 성능을 5배 이상 향상했다.
가천대는 화공생명배터리공학부 이동수·박찬호·최정현 교수 연구팀이 한국지질자원연구원 정인철 박사 연구팀과 공동으로 신소재 바인더 ‘IRCB(계면강화 가교 바인더)’를 개발했다고 9일 밝혔다.
배터리는 양극과 음극 사이를 리튬 이온이 이동하며 에너지를 저장·방출한다. 음극 소재로 주로 사용되는 흑연 대신 실리콘을 이용하면 이론적으로 약 10배 많은 전기를 저장할 수 있다. 같은 크기의 배터리로 더 오래 사용할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 실리콘은 충·방전 과정에서 부피가 최대 3배까지 팽창·수축한다. 이 과정에서 입자 파괴와 전극 구조 붕괴가 발생해 상용 배터리에서는 소량 첨가 방식으로만 활용됐다. 특히 전극과 전해질이 밀착돼야 하는 전고체전지에서는 이 같은 부피 변화로 접촉이 쉽게 깨지는 문제가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 3차원 그물망 구조의 IRCB 바인더를 설계했다. 에폭시와 아민 반응을 기반으로 형성된 고분자 네트워크 구조가 실리콘 입자와 강하게 결합해 전극 구조를 안정적으로 유지하도록 했다.
실험 결과 IRCB를 적용한 순수 실리콘 음극은 빠른 충·방전 조건에서도 300회 반복 후 초기 용량의 90% 이상을 유지했다. 기존 PVDF 바인더 기반 실리콘 음극의 용량 유지율(16%)과 비교하면 5배 이상 향상된 성능이다.
이번 연구 성과는 에너지·재료 분야 국제학술지 Advanced Science(임팩트팩터 14.1)에 ‘Interfacially Reinforced Crosslinked Binder with Structural Integrity for Stable Micro-Sized Silicon Anodes in All-solid-state Batteries’라는 제목으로 2일 온라인 게재됐다.
논문에는 이동수 교수가 주 교신저자로 참여했으며 박찬호·최정현 교수가 공동 교신저자로 이름을 올렸다. 제1저자는 이찬호 석사과정생이며 남유리 석사와 정인철 한국지질자원연구원 선임연구원이 공동 제1저자로 참여했다.
이동수 교수는 “전고체전지에서 도전적인 소재로 평가되는 순수 실리콘 음극을 안정적으로 구현할 가능성을 제시한 연구”라며 “고에너지밀도 전고체전지 상용화를 앞당길 기반 기술이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 산업통상자원부 소재부품기술개발사업과 과학기술정보통신부 기초연구사업, 한국지질자원연구원 기본사업 지원을 받아 수행됐다.
성남=정진욱 기자
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