연구재단, 리튬이온전지 성능 높일 실리콘 음극재 개발

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 리튬이온전지의 에너지밀도를 향상시킬 수 있는 실리콘 음극재가 개발돼 상용 음극재로 사용되는 흑연의 용량 한계를 극복할 것으로 기대된다.

한국연구재단은 성균관대학교 박호석 교수팀이 실리콘 기반 고엔트로피 합금(high entropy alloy) 소재를 통해 고용량, 장수명 리튬이온전지 음극소재 개발에 성공했다고 27일 밝혔다.

고엔트로피 합금은 주된 원소에 보조 원소를 더하는 일반적인 합금과는 달리 주된 원소없이 여러 원소를 5% 이상으로 비교적 동등한 비율로 혼합한다.

세계적으로 음극재인 흑연 용량 한계(이론용량 372mAh/g)를 극복키 위해서 고용량 실리콘(이론용량 4200mAh/g)으로 대체하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.

하지만 실리콘 소재의 경우 낮은 전기전도도 뿐만 아니라 충·방전을 반복하면 부피가 팽창해 장기 안정성이 저하된다는 문제가 있다.

이번에 박 교수팀은 다양한 조성의 원소들로 이뤄진 실리콘 기반 고엔트로피 합금소재를 개발해 한가지 소재로 구현하기 어려운 물성을 부여해 실리콘의 성능저하 문제를 해결했다.

고에너지 볼밀링 합성법을 사용해 합성방법의 공정을 최소화하면서 고용량의 실리콘(Si), 고반응성의 인(P), 빠른 리튬이온 전도성을 가진 게르마늄(Ge), 자가 복원력을 가진 액체 금속의 갈륨(Ga)의 장점을 도입한 GaGeSiP3 소재를 개발하는 데 성공했다.

개발된 GaGeSiP3 소재는 고전류 밀도에서도 949mAh/g의 높은 율속(충방전 속도를 높임에 따른 용량 유지율이 좋아지거나 나빠지는 특성) 용량을 보였고 2000회 충·방전 이후에도 1121mAh/g의 높은 용량을 유지하는 것으로 확인됐다. 

한국연구재단이 추진하는 리더연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 '에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 지난달 16일 게재됐다.(논문명:Generic synthesis of high-entropy phosphides for fast and stable Li-ion storage)

박호석 교수는 "이번 연구는 실리콘의 문제를 해결할 수 있는 방안을 제시했을 뿐만 아니라 고엔트로피 합금소재를 반응성이 높은 인(P) 원자에서 처음으로 구현했다는 점에서 의의가 크다"며 "향후 다양한 조합의 고엔트로피 소재 합성을 통해 구조 및 조성 최적화, 배터리 성능 향상을 위한 추가 연구를 수행할 계획"이라고 말했다.


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