리튬 이온 배터리는 현대 전자기기의 핵심 에너지원으로 자리 잡고 있으나 낮은 전지 저장량(무게 및 부피당 전기를 저장할 수 있는 정도: 에너지 밀도)으로 전기자동차 등의 주행거리에 큰 제약이 있다. 이를 해결하기 위해 기존 상용화 흑연 소재(372mAh/g)보다 10배 이상의 용량을 갖는 실리콘 음극재(3579mAh/g)를 적용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
하지만, 실리콘 음극재는 충방전 과정에서 300% 이상의 부피 변화로 인해 입자의 균열 및 변형, 극판 두께 증가, 입자 계면 불안정화 현상이 발생한다. 이로 인해 배터리의 안정성과 에너지 밀도를 저하시킬 수 있다는 단점이 있다.
성재경 교수 연구팀은 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)를 도전재로 이용해 실리콘 음극재의 팽창을 효과적으로 억제할 수 있는 기술을 발표했다.
이 연구 결과로 기존 카본블랙(Carbon Black, CB) 기반 도전재에서 나타나는 170%의 극판 팽창에 비해 CNT를 사용한 실리콘 전극에서는 27% 정도의 매우 낮은 팽창률을 보임을 확인했다. 파우치형 상용화 배터리 테스트에서 100회 충방전 후에도 94.6%의 용량 유지율을 기록하며 탄소 블랙 도전재 기반 배터리(77%)를 크게 상회하는 결과를 보여줬다.
이번 연구 결과를 토대로 기존 상용화 흑연 음극재 기반 배터리와 비교했을 때 40%가량 높은 용량(~700 mAh/cc)을 보였으며, 고속 충방전 특성 평가 결과 흑연 음극재의 용량유지율 40%를 뛰어넘는 80%의 높은 특성을 보인다는 사실을 확인했다. 또한, 저온 구동(영하 10℃) 수명 평가 시 기존 흑연 음극재의 경우 50%의 수명 유지율을 보였으나, CNT 기반 실리콘 음극재의 경우 100%로 수명 저하가 거의 없음을 확인했다.
이 연구는 울산과학기술원(UNIST)과 협력해 진행됐으며, UNIST 에너지공학과 김유진 박사는 "CNT가 실리콘 전극에서의 입자 균열 및 팽창을 억제하면서도 전도성을 강화하는 중요한 역할을 한다"고 밝혔다.
성재경 교수는 "기존 CNT 활용으로 수명특성 등의 다양한 결과들이 다수 존재하지만 이번 연구는 극판 팽창을 대폭 감소시키는 특성에 주목했으며 이에 대한 상세한 매커니즘 분석을 통해 원인을 규명했다는 점에서 의미가 있으며 상용화 흑연 음극재와의 상세한 비교 분석을 통해 실현가능한 기술임을 검증했다"고 말했다.
이번 연구는 CNT 기반 실리콘 전극이 상업용 리튬 이온 배터리에 적용될 수 있는 잠재력을 확인하는 중요한 단계로 평가받고 있다. 특히, CNT가 전극의 안정성을 유지하면서도 에너지 밀도를 높이고 전극 팽창을 최소화하는 점에서, 기존 배터리 기술의 한계를 뛰어넘을 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 에너지 저장 기술 분야의 권위 있는 국제 학술지 《에너지 스토리지 머티리얼스Energy Storage Materials)》(IF: 18.9) 12월 26일자에 게재됐다(논문 제목: 실리콘 기반 리튬 이온 배터리의 전극 팽창에 대한 CNT의 영향의 비밀을 풀다.(Unraveling the Impact of CNT on Electrode Expansion in Silicon-based Lithium-ion Batteries)). 연구진은 앞으로 CNT 기술을 더욱 개선하여 배터리의 수명과 안전성을 한층 강화할 계획이라고 밝혔다.
진주=강연만 기자 kk77@kukinews.com
