리튬이차전지 실리콘 음극소재의 성능을 개선한 신기술이 UNIST 학부생 주도하에 개발되었다. 이번 기술 개발로 고에너지밀도를 요구하는 전기자동차 등에 사용되는 리튬이차전지의 충전 용량 개선 기반이 마련되었다.
*) 리튬이차전지 : 현재 이차전지 시장에서 대부분을 차지하는 전지로, 한 번 쓰고 버리는 일차전지와는 달리 외부전원을 이용해 충전해서 반영구적으로 사용하는 전지
UNIST(울산과기대 총장 조무제) 구본재(친환경에너지공학부 4학년, 23) 학부생의 이번 연구 결과는 세계적인 화학 저널인 Angewandte Chemie International Edition 誌에 7월 29일 소개되었다.[논문명: ‘A highly crosslinked polymeric binder for high-performance Si negative electrode in Li-ion batteries(리튬이차전지용 고성능 실리콘 음극실현을 위한 형성기억형 그물구조 고분자)]
구본재 군은 3차원 그물구조의 형상기억형 고분자를 이용해 현재 상용화된 탄소계 음극소재 대비 전기화학적 성능이 뛰어나고 충전용량도 5배 정도 큰 실리콘 음극소재 성능을 개선하는 기술을 개발함으로써 고용량 실리콘 음극판 형성에 응용 가능성을 열었다.
리튬이차전지는 현재 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등 휴대통신기기에 폭넓게 사용되고 있고, 최근에는 하이브리드 전기자동차와 지능형 로봇 등의 동력원뿐만 아니라 태양광, 풍력 발전 등 신재생 에너지용 전력저장 중대형 전지시스템으로 주목 받고 있다.
그러나 현재 상용화된 탄소계 음극의 경우 한계용량(372mAh/g)이 낮아 에너지 밀도를 높이는 것이 이슈로 제기되어 왔다. 최근에는 용량 개선을 위해 탄소계 음극보다 약 10배 높은 이론용량(4200mAh/g)을 가진 실리콘 음극소재가 대체재로 떠오르고 있다.
실리콘 음극은 리튬과의 화학적 결합형성에 의해 전기화학적 충전 반응 동안 400%의 심각한 부피팽창이 일어난다. 이로 인해 전기적 연결이 방해를 받게 되어 반복적인 충방전 싸이클 동안 리튬을 저장하는 능력이 급격하게 저하되는 문제가 있다.
구본재 군은 3차원 그물구조의 형상기억형 고강도 고분자를 실리콘 음극입자와 물리적 화학적으로 강하게 결합시켜 부피팽창을 효과적으로 억제하여 실리콘 음극의 전기화학적 성능 및 충전 용량을 획기적으로 향상시키는데 성공했다.
이번 연구의 부피팽창을 효과적으로 개선한 결과는 배터리 안정성을 높이는데 기여할 것이다. 특히 국내외에서 심심치 않게 발생하는 배터리 폭발사고와 배터리 공장 폭발사고 등으로 인해 높은 안정성을 확보하는 문제 역시 중요한 이슈로 제기되어 왔다.
최남순(친환경에너지공학부) 교수는 “본 연구에서 개발된 인공 고분자는 많은 전기에너지를 저장할 수 있는 실리콘 음극소재의 상용화를 앞당길 수 있는 중대한 소재기술이라는 점에서 의의가 있다” 고 말했다.
구본재 군은 “올 해 6월 2000여명의 이차전지관련 분야 국내외 전문가들이 참석한 국제리튬전지학회(IMLB 2012)라는 국제학회에서 본 연구결과를 발표하는 등 재학 중에 다양한 경험을 통해 할 수 있다는 자신감을 얻은 것이 이번 연구결과를 낳은 것 같다”고 소감을 전했다. “연구 분야에 대한 이론 이해, 실험의 목적, 결과 분석뿐만 아니라 진로에 대한 많은 것을 지도해주신 최남순 교수님께 감사드리고 싶다. 앞으로 UNIST 대학원에 진학해 실리콘 음극의 부피팽창 문제 해결과 이차전지 전해질 분야에 대해 연구할 것”이라고 장래 포부를 밝혔다.
