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전기차 배터리는 빨리 충전되고 많은 에너지를 담아야 한다. 여기에 적합한 급속 충전용 고용량 배터리를 만들 기술이 개발됐다. 기존 흑연 음극소재의 단점을 보완한 혁신적인 원천기술로 주목받고 있다. UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수팀은 기존 흑연 음극소재보다 빨리 충전될 뿐 아니라 더 오래 쓸 수 있는 차세대 음극소재를 개발했다. 흑연에 리튬이온이 빠르게 지나다닐 수 있는 통로를 많이 만들고, 그 위에 실리콘을 나노 두께로 얇게 코팅한 것이 핵심이다. 이 기술을 향후 전기자동차용 배터리에 적용하면 충전 시간을 단축시키고 주행거리를 늘리는 데 크게 기여할 전망이다. 전기자동차가 주목받으면서 동력원인 이차전지의 용량을 키우고 충전시간을 줄이는 게 중요해졌다. 하지만 기존 흑연 음극소재는 리튬이온을 저장할 수 있는 용량 자체가 적고, 고속으로 충전하면 음극소재 표면에 리튬 금속이 석출돼 전지 성능과 안전성을 떨어뜨린다. 이런 흑연 음극소재의 단점을 극복할 물질로 흑연보다 10배 이상 용량이 큰 실리콘 소재가 차세대 음극 물질로 주목받고 있다. 하지만 실리콘 소재는 전기 전도도가 낮고, 충전과 방전 시 부피가 급격히 변하는 문제가 있다. 이런 이유로 고용량과 고속 충전을 동시에 구현하는 리튬이온전지를 만드는 기술을 현재까지 어려운 문제로 남아 있었다. 조재필 교수팀은 기존 음극소재의 한계를 극복하기 위해 새로운 구조를 가진 흑연/실리콘 복합체를 합성하는 방법을 제안했다. 이 방법으로 합성한 ‘가장자리 활성화 흑연/실리콘 복합체’는 상용화된 전극 조건에서 1.5배 빨리 충전됐고, 용량도 50% 정도 늘었다. 이번 연구의 주역인 김남형 UNIST 에너지 및 화학공학부 석·박사통합과정 대학원생은 “이 기술의 핵심은 흑연에 리튬이온이 빠르게 드나들 수 있는 고속도로를 만들어주는 ‘니켈 촉매 환원법’과 안정적으로 용량을 높여주는 ‘실리콘 나노 코팅’이다”며 “새로운 물질은 기존 흑연과 실리콘이 갖는 문제점을 동시에 해결해 차세대 고용량 음극소재로 적용 가능성을 입증했다”고 설명했다. 니켈은 탄소와 수소를 반응시키는 촉매로 작용할 수 있다. 연구진은 이 점을 이용해 흑연 음극소재의 가장자리에 니켈을 붙이고 수소와 반응시켰다. 그 결과 흑연 가장자리에 있는 탄소가 메탄(CH4) 가스로 변했다. 이런 반응이 연속적으로 일어나면 흑연 가장자리에 구멍이 생기면서 리튬이온이 쉽게 드나드는 길이 열린다. 이런 통로가 많아지면서 결과적으로 전지를 빨리 충전할 수 있게 된 것이다. 연구진은 또 가장자리에 구멍이 생긴 흑연에 실리콘을 얇게 코팅해 기존 흑연 음극소재보다 용량을 늘리는 구조를 만들었다. 흑연의 높은 전도성과 실리콘의 고용량 특징을 모두 살린 것이다. 조재필 교수는 “실리콘 나노 코팅 원천기술로 머리카락의 만 분의 일에 가까운 두께(20㎚ 이하)의 실리콘을 흑연 표면 위에 고르게 코팅해 고성능 흑연/실리콘 복합체를 구현했다”며 “전체 공정이 비교적 간단하고 저렴해 대량생산도 가능하다는 장점이 있다”고 말했다. 그는 이어 “이번 연구는 전기자동차나 대용량 에너지저장장치(ESS)처럼 에너지 밀도가 크고 출력이 높은 배터리에 쓰일 음극소재를 만드는 데 성공적으로 적용 가능할 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구결과는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 10월 9일자 온라인판에 게재됐다. 연구 수행은 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 이뤄졌다. (끝)
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경최근 전기자동차의 구동용 전원으로써 이차전지가 활용되면서 그 시장이 급속하게 성장하고 있다. 전기자동차용 이차전지가 성공적으로 상용화되려면 ‘빠른 충전 속도와 긴 주행거리’가 보장돼야 한다. 그러나 현재 사용되는 흑연 음극 활물질은 급속 충전에 적합하지 않으며, 에너지 밀도가 낮아 한 번 충전해 오랫동안 주행하기 어렵다. 특히 급속 충전을 위해 충전 전류를 높이게 되면 과전압이 발생하거나 리튬 금속이 석출되면서 리튬이온전지의 성능과 안정성을 저해할 가능성이 매우 크다. 따라서 리튬이온전지가 전기자동차용 이차전지로써 경쟁력을 가지려면 ‘급속 충전이 가능한 고에너지 밀도의 음극소재’에서 혁신적인 기술 개발이 반드시 선행돼야 한다. |
2. 연구내용이번에 새로 개발한 ‘차세대 음극소재’는 기존 상용화된 음극소재인 흑연보다 용량이 크고, 급속 충전에 유리하다. 또 이 소재를 이용해 리튬이온전지의 성능을 향상시키고 최적화하는 방안을 찾았다. 이를 통해 급속 충전에도 안정적이고 에너지 밀도가 높은 리튬이온전지의 실현 가능성을 보였다. 음극소재는 대부분 흑연을 이용해 만든다. 그런데 흑연은 무게 당 저장할 수 있는 리튬이온 용량이 작아 에너지 밀도를 높이기 어렵다. 충전 특성도 좋지 않아 급속 충전 역시 불가능하다. 이런 문제점을 해결하기 위해 이론적으로 흑연보다 약 10배 이상의 리튬이온 저장 용량이 큰 실리콘 음극소재를 이용하려는 연구가 많았다. 하지만 실리콘 소재는 전기 전도도가 낮고, 충전과 방전을 하는 동안 부피팽창이 극심해 산업적으로 적용하기 어렵다. 이번 연구에서는 흑연(전도성)과 실리콘(고용량) 장점을 모두 살리는 방법을 찾았다. 흑연 가장자리에 구멍을 뚫고, 그 위에 실리콘을 얇게 코팅하는 방식이다. 이렇게 만든 ‘가장자리 활성화 흑연/실리콘 복합체’는 기존 흑연 소재보다 더 많은 리튬이온을 저장할 수 있다. 또 전극에서 전자나 리튬이온이 조금만 이동해도 되므로, 충전과 방전 시 리튬이온과 반응하는 속도가 크게 빨라진다. 고속 충전이 가능해진 것이다. 가장자리 활성화 흑연/실리콘 복합체는 ‘니켈 촉매 환원법’과 ‘모노 실레인(SiH4) 화학기상 증착법(CVD)’을 이용해 만든다. 니켈-촉매 환원법은 기존 흑연에서 가장자리에 구멍을 뚫는 데 쓰인다. 리튬이온이 달라붙는 가장자리에 구멍을 뚫으면서 리튬이온이 더 많이 달라붙을 수 있게 활성화돼 충전 특성이 크게 향상된다. ‘모노 실레인(SiH4) 화학기상 증착법(CVD)’은 흑연 안팎으로 비정질(amorphous) 실리콘을 20㎚ 정도 두께로 얇고 균일하게 코팅하는 기술이다. 그런데 실레인 가스가 니켈 금속과 만나면 ‘니켈 규화물’이 만들어져 전기 전도도를 낮추고 전지용량도 감소시킬 수 있다. 이를 막기 위해 연구진은 실리콘 코팅 과정에서 니켈 금속 위에 전기 전도성이 우수한 흑연질 탄소보호막을 코팅하는 작업을 추가했다. 이렇게 만든 ‘가장자리 활성화 흑연/실리콘 복합체’는 상용화된 전극 조건에서도 충전 특성을 향상시키고 에너지 밀도를 극대화할 수 있었다. 기존의 흑연 소재와 비교할 경우 충전 속도는 1.5배 빨라졌고, 리튬이온 저장용량은 약 50% 늘어났다. 또 충전 전류를 높여도 리튬 금속이 석출되지 않아 안정된 수명 특성을 보였다. |
3. 기대효과이번에 개발한 ‘가장자리 활성화 흑연/실리콘 복합체’를 리튬이온전지 음극소재로 적용할 경우 기존보다 빠르게 충전시키고, 많은 양의 에너지를 저장할 수 있다. 급속 충전용 고에너지 음극소재로서 가능성을 보인 것이다. 이는 빠른 충전 속도와 긴 주행거리가 보장돼야 하는 전기자동차용 이차전지의 조건을 충족하는 것이기도 하다. 앞으로 이 소재는 전기자동차나 중대형 에너지저장장치(ESS)에 적용 가능할 것으로 기대된다. |
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[붙임] 그림 설명 |
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그림1. ‘가장자리 활성화 흑연/실리콘 복합체’ 합성 과정: (왼쪽) 상용 흑연에 니켈을 붙인 뒤, 촉매 환원과 기상 증착 과정을 통해 가장자리 활성화 흑연/실리콘 복합체를 합성한다. 촉매 환원과 기상 증착 공정은 중간에 멈추지 않고 단번에 진행 가능하다. (오른쪽 위) 흑연 가장자리의 탄소가 수소를 만나 메탄 가스로 환원되는 촉매 환원법의 모식도. (오른쪽 아래) 촉매 환원을 통해 리튬 이온 이동 통로가 만들어진 흑연의 모식도.
그림2. ‘가장자리 활성화 흑연/실리콘 복합체’의 단면 구조와 특징 요약 |
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