보도자료

2023. 3. 14 (화) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

실시간 분석법을 통한 실리콘-흑연 복합재의 반응원리 이해

UNIST 이현욱·정경민 교수팀, 배터리 전극 실시간으로 분석
반응원리 이해를 통한 불균일성 완화… Energy Storage Materials 게재

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.

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.

(논문명: Unveiling the role of electrode-level heterogeneity alleviated in a silicon-graphite electrode under operando microscopy)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

에너지화학공학과: 이현욱 교수 (052)217-2593

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

전지 시스템에 대한 요구와 연구가 다양하고 많아짐에 따라 전극 내의 입자 내·입자 간에서 일어나는 반응 불균일성을 이해하기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히 입자 간에 형성되는 반응 불균일성은 전극 물질의 동적 특성에 많은 영향을 받음이 연구되었다. 이러한 불균일성은 전극의 깊이에 따라서도 두드러지게 나타나게 된다. 특히 고용량을 위해 전지의 두께를 증가시키거나 고속 충·방전을 할 경우, 전극 활물질의 용량을 전부 활용하지 못할 뿐 아니라 음극 표면에서의 수지상 리튬 형성과 같은 부반응을 일으킬 수 있다. 이는 내부 단락을 만들어 전지 안정성을 크게 위협한다.

흑연 전극은 층상구조에서 일어나는 리튬 이온의 삽입·탈리를 통해 충·방전되는 안정적인 음극 물질로써 널리 사용되었다. 하지만 372mAh/g의 낮은 용량을 가지는 한계점으로 인해, 3,579mAh/g의 큰 용량을 가지는 실리콘과 복합 전극으로 활용되어왔으며, 실리콘의 큰 부피팽창을 보완하기 위해 소량의 실리콘을 흑연에 첨가하는 방향으로 이용되었다. 이러한 복합 전극 시스템은 다양하고 활발하게 연구 및 사용되어왔으나, 다른 반응 메커니즘을 가진 두 물질 간에 일어나는 상호작용을 다루는 연구는 많이 진행되지 않았다.

2. 연구내용

연구팀은 실시간 광학 현미경을 통한 전극 시스템의 측면 관찰을 통해 흑연 전극에서 나타나는 불균일성이 실리콘-흑연 복합 전극에서 완화됨을 분석하였다. 실시간 광학 현미경 시스템은 음극, 양극, 분리막, 전해액으로 구성되어 있으며 투명한 창을 통해 실시간으로 셀 구동에 따른 변화를 관찰할 수 있다. 이러한 시스템은 실제 전지와 유사한 환경에서 전지의 변화를 관찰할 수 있을 뿐 아니라, 전극 등에서 일어나는 국부적인 변화까지 구분할 수 있다.

흑연 음극은 충전됨에 따라 색상이 변화하는 특성을 가지기 때문에 광학 시스템을 통해 관찰하기에 매우 용이하다. 특히 측면 관찰 시스템과 이미지 분석을 이용하면 위치 및 깊이에 따른 반응 분포를 확인할 수 있다. 실리콘의 부피 변화 또한 광학 현미경 시스템에서 그 변화를 확인할 수 있다는 점에서, 광학 현미경 시스템은 실리콘-흑연 복합체에서 각 물질의 거동을 분석할 수 있다.

광학 현미경의 이미지 분석 결과, 충전 시 전극 상단의 표면 위주로 반응이 진행되었던 흑연 전극과 달리, 실리콘-흑연 전극의 경우 내부로 균일한 충전 반응이 진행되는 것을 확인하였다. 또한, 라만 맵핑 기법을 통해 실리콘이 근접한 흑연의 반응을 촉진함을 확인하였다. 이러한 반응 균일성의 차이는 흑연과 구분되는 실리콘의 거동 특성 때문으로 생각된다. 실리콘의 우세한 리튬 이온 전달 특성이 내부까지 리튬을 전달해 주기 때문에, 흑연 단독 전극에서 일어나던 깊이 별 반응 차이가 완화되었을 것으로 생각할 수 있다.

3. 기대효과

이번 연구에서 제시한 실리콘과 흑연 간의 상호작용과 그 효과는 전지 시스템을 구축할 때 활용할 수 있는 지표로 방향성을 제시할 수 있다. 또한, 실시간 광학 시스템 및 이미지 분석법은 타 전극 시스템에서의 반응 균일성 분석에 넓게 활용될 수 있다. 특히 고용량 전지 및 고속 충·방전에 대한 요구가 많아짐에 따라 다양한 이차전지 분야에 적용 가능할 것으로 예상한다.

[붙임] 용어설명

1. 음극재 (Anode materials)

(-)극에 위치하여 (+)극인 양극에서 나오는 리튬이온을 받아들이는 소재로, 대표적으로 흑연 전극이 있다.

2. 리튬 수지상 형성 (Lithium dendrites)

리튬 이온 전지 사용 시 음극에서 리튬이 전착 되며 나타나는 나뭇가지 모양의 결정상이 형성되는 것을 의미한다. 리튬 수지상의 성장은 내부 단락 및 화재의 원인이 된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 실시간 광학 현미경과 라만 맵핑 분석을 이용한 실리콘-흑연 전극의 메커니즘.

측면 관찰을 이용한 실시간 광학 현미경 시스템과 라만 맵핑 분석을 보여주는 그림이다. 실제 셀 구동 환경에서 전극의 깊이에 따른 반응의 진행 정도를 파악하고, 라만 맵핑을 통해 각 물질의 반응 정도를 비교하였다. 실리콘에 의해 전극 깊은 곳 위치한 흑연의 반응이 촉진됨으로써 깊이 방향으로의 불균일한 반응이 완화됨을 확인하였다.

UNIST 홍보팀 news@unist.ac.kr

TEL : 052)217-1230FAX : 052)217-1229