차세대 리튬이온전지용 음극소재 개발
차세대 리튬이온전지용 음극소재 개발
기존 음극소재인 흑연 대비 5배 용량 ↑ … 전기자동차 응용 기대
  • 박정식 기자
  • 승인 2019.08.28 12:00
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[헬스코리아뉴스 / 박정식 기자] 리튬이온전지 음극소재로 사용되고 있는 흑연과 비교해 5배 이상 가역용량이 늘어난 음극소재가 개발돼 리튬이온전지가 핵심부품인 전기자동차 산업에 파급효과가 커질 전망이다.

28일 한국연구재단에 따르면 박민식 교수(경희대)와 문장혁 교수(중앙대), 김정호 교수(호주 울런공대) 등 공동연구팀은 자이로이드(규칙적 패턴이 반복되는 다공성 삼차원 나노 구조체) 구조의 리튬이온전지용 3차원 음극소재를 개발했다.

최근 전기자동차 시장의 확대로 고성능 리튬이온전지의 수요가 급격하게 늘어나고 있다. 이에 리튬이온전지용 차세대 음극소재로서 ‘실리콘’ 음극소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

실리콘 음극소재는 기존 ‘흑연’과 비교해 이론상 10배 이상의 용량을 가지고 있다. 그러나 충전과 방전 중에 약 300% 이상의 극심한 부피변화가 일어나 성능열화가 발생한다는 문제점을 가지고 있다.

3차원 공간구조형 실리콘복합산화물 합성공정 모식도. (사진=한국연구재단)
3차원 공간구조형 실리콘복합산화물 합성공정 모식도. (사진=한국연구재단)

이를 해결하고자 공동연구팀은 멀티스케일 전산모사 기법을 활용해 양자역학 기반 제일원리 계산 및 연속체역학 기반 유한요소 해석 결과를 바탕으로 실리콘의 부피변화로부터 기인하는 기계적 응력을 최소화 할 수 있는 자이로이드(gyroid) 구조를 설계, 선택적 환원공정 개발을 통한 구조안정성이 획기적으로 개선된 3차원 공간구조형 실리콘복합산화물 음극소재를 개발했다.

연구팀이 개발한 소재는 실제 충·방전 시 규칙적으로 배열된 직경 10나노미터 크기의 기공들이 실리콘의 부피팽창을 효과적으로 완충함으로써 기존 흑연 대비 5배 이상의 가역용량(충·방전시 반복적으로 사용 가능한 리튬이차전지 용량)을 달성했다.

이재우 연구원은 “시뮬레이션 해석과 실제 실험적 관찰이 통합된 융합연구인 것에 큰 의의가 있다”며 “향후 실리콘 기반 음극소재 융합연구는 리튬이온전지가 핵심부품으로 사용되는 전기자동차 산업에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 재료분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노’(ACS Nano) 8월5일자에 게재됐다.


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