국립금오공과대학교는 박철민 재료공학부 신소재공학전공 교수 연구팀이 리튬이온전지와 전고체전지에 모두 적용할 수 있는 '차세대 실리콘 기반 음극소재'를 개발했다고 2일 밝혔다.
실리콘은 상용 흑연보다 이론용량이 약 10배 높아 고에너지밀도 배터리 구현을 위한 대안으로 꼽힌다. 하지만 충·방전 시 부피가 300% 이상 팽창해 입자가 부서지거나 전극에 균열이 생기는 수명 저하 문제가 따랐다. 고체 전해질 기반의 전고체전지에서는 고체 간 불안정한 계면 접촉 탓에 성능 확보가 더 어려웠다.
연구팀은 실리콘 나노결정립을 여러 기능성 물질 내부에 균일하게 분산·고정하는 다중 매트릭스 설계로 한계를 돌파했다. 실리콘, 주석, 코발트를 반응시켜 비정질 주석과 코발트 실리사이드 복합 매트릭스 안에 나노 실리콘을 고르게 분산시켰다. 여기에 흑연과 비정질 탄소 코팅층을 추가해 최종 복합 소재를 완성했다.
복합 소재 내 비정질 주석은 높은 연성으로 실리콘의 부피 변화를 완충하고, 코발트 실리사이드는 뼈대 역할을 하며 충·방전 시 전극 구조를 유지한다. 흑연은 리튬 저장과 완충 작용을 돕고, 탄소 코팅층은 입자 간 전기 전도성을 높인다. 각 구성 요소가 상호 보완적으로 작용해 구조적 안정성을 끌어올렸다.
이렇게 설계한 나노복합 음극은 액체 전해질 및 황화물계 고체 전해질 환경에서 모두 안정적으로 작동했다. NCM811 양극재와 조합한 완전셀 평가 결과, 리튬이온전지 환경에서 434.4 Wh kg-1의 에너지밀도를 달성했으며, 전고체전지 환경에서도 300 Wh kg-1 이상의 에너지밀도 구현 가능성을 입증했다.
박 교수는 "실리콘 음극의 구조적 붕괴와 낮은 전자전도도, 계면 불안정성을 동시에 완화하는 다중 매트릭스 설계 전략을 제시했다"며 "향후 전기차 및 에너지저장장치(ESS)용 고에너지밀도 배터리 개발에 기여할 것"이라고 말했다.
김재헌 국민대 교수, 하윤철 한국전기연구원 박사 연구팀과 공동으로 진행한 이번 연구 결과는 재료·에너지 분야 국제학술지 '나노-마이크로 레터스'(Nano-Micro Letters)에 6월22일 온라인 게재됐다.
