[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국생산기술연구원은 서남기술실용화본부 임진섭 수석연구원팀이 전남대 윤창훈 교수팀과 공동연구를 통해 실리콘 입자를 안정적으로 지지하는 3차원 전도성 골격을 구현하고 적외선 레이저로 골격 간 연결성을 높이는데 성공했다고 17일 밝혔다.

이 기술로 연구팀은 충·방전 과정에서 발생하는 실리콘 음극의 구조 손상을 완화해 수명을 대폭 늘렸다.

스마트폰, 전기차 등에 사용되는 리튬이온전지는 충전과정에서 리튬이온을 음극에 저장하고 사용 시 다시 양극으로 이동시키며 전기를 공급하는 구조다.

음극소재로 널리 쓰이는 흑연은 장기간 사용해도 안정적이지만 저장할 수 있는 리튬의 양이 제한적이어  많은 리튬을 저장할 수 있는 실리콘이 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.

하지만 실리콘은 충·방전 과정에서 부피가 크게 팽창·수축하는 특성으로 배터리 용량이 빠르게 감소하는 단점이 있다.

이번에 연구팀은 실리콘 음극의 구조 손상을 줄이기 위해 마이크로 실리콘 입자에 셀룰로오스-탄소나노튜브 복합체(C-CNT)를 결합해 음극층을 만들었다.

C-CNT는 식물섬유인 셀룰로오스와 전기가 잘 통하는 탄소나노튜브를 결합한 복합체로 음극층 안에서 이 복합체가 서로 얽히며 형성된 3차원 지지 구조물이 실리콘 입자를 촘촘히 감싸고 전자 이동통로 역할을 수행해 충·방전 시 안정적인 음극 구조를 유지토록 한다.

연구팀은 여기에 파장 1070나노미터(㎚)의 적외선 레이저를 쏴 C-CNT를 실리콘 표면에 결합시켜 두 소재 간 결합력을 높였다.

이를 통해 실리콘이 팽창·수축하는 과정에서 탄소 지지 구조물을 지탱해 줘 음극 구조의 안정성을 더 높이도록 했다.
 
개발된 음극의 전기화학 특성 평가 결과, 흑연 음극의 용량인 300mAh/g(0.1C), 65mAh/g(2.0C)과 비교해 약  7배, 20배 높게 나타났다.

특히 100회 충·방전 후 용량 유지율은 레이저 처리를 하지 않은 실리콘 음극 34%보다 2배 이상 높은 71%의 수명 특성을 기록했다.

이번 연구는 지난 4월 22일 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)' 온라인판에 게재됐다.

임진섭 수석연구원은 "이번 연구서 실리콘 음극의 저장 용량을 높였을 뿐 아니라 반복 사용 중 음극 구조가 손상되는 문제를 줄이는데 성공했다"며 "대면적 전극 제조 조건과 실제 셀 적용 가능성을 단계적으로 검증할 계획"이라고 밝혔다.


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