배터리 전극 깊이에 따른 불균일성은 흔히 급속충전이 불가능한 원인으로 알려져 왔다. 전해액 내 리튬 이온의 이동 제한으로 흑연 전극의 상단부에 리튬 농도가 집중되면 음극재 표면에 리튬 수지상 형성을 일으킨다. 이는 대용량의 전지를 만들거나 고속 충·방전 시 심화되며 배터리의 수명과 안정성을 크게 저하한다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 이현욱·정경민 교수팀은 실시간 현미경 분석과 수학적 모델링을 통해 전극 측면에서 실리콘–흑연 복합재의 입자 간 불균일성에 대해 규명했다. 배터리 충·방전 거동 중, 흑연 전극의 깊이에 따른 불균일성을 밝히고 실리콘-흑연 복합재가 이런 불균일성의 원인을 완화하는데 도움이 된다는 것을 확인했다.
연구팀은 충전 정도에 따라 색상이 변화하는 흑연의 특징을 이용해 전극의 깊이 별로 발생하는 반응의 불균일성을 분석했다. 위치에 따른 색의 분포를 비교해 반응의 불균일성을 분석하는 연구는 기존에 없는 새로운 접근법이다.
그림1. 실시간 광학 현미경과 라만 맵핑 분석을 이용한 실리콘-흑연 전극의 메커니즘
흑연 전극의 경우 충전 시 윗면과 아랫면의 리튬 농도차가 크게 발생한다. 이번 연구에서 실리콘이 첨가된 흑연–실리콘 음극의 경우 이러한 전극 위아래면의 리튬 농도 불균일성을 줄이는 역할을 하는 것을 확인했다. 이때 실리콘 음극재가 리튬이온의 버퍼 역할을 하는 것이다. 이는 흑연–실리콘 음극이 일반 흑연음극보다 빠르게 충전이 가능하다는 사실을 보여준다. 연구팀은 이러한 현상을 이해함으로써 복합소재 전극을 만드는 것에 도움을 줄 수 있다고 설명했다.
또한, 흑연이 실리콘과 함께 존재할 때 서로 다른 거동 특성이 상호보완적으로 작용함을 실시간 광학 현미경 분석법을 통해 관찰하고 이를 수학적 모델링을 통해 확인했다. 실시간 광학 현미경 시스템은 통상적인 전지 셀 조립과 유사한 환경에서 거동을 분석할 수 있어 기존에 있던 분석 시스템에 비해 실제 전지 구현 정도가 높다고 평가되고 있다.
이현욱 에너지화학공학과 교수는 “이 연구는 전극 단위의 실시간 분석으로 기존에 복잡하게 여겨진 복합재의 상호작용에 대해 분석함으로써 복합전극 구축을 위한 하나의 지표가 될 것이다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
이번 연구는 울산과학기술원 미래선도형 특성화사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 신진연구사업, 기후변화대응기술개발사업, 삼성SDI의 지원으로 수행되었다. 에너지 소재 분야의 세계적인 국제학술지인 ‘에너지 스토리지 머티리얼스 (Energy Storage Materials)’에 2월 19일자로 온라인 게재되었다.
