▲ KIST 연구진이 개발한 전처리 용액을 적용한 고용량 전지를 평가하는 실험을 하고 있다.

국내 연구진이 리튬이온배터리의 전극 전처리 용액을 개발해 실리콘 함량이 50% 이상으로 증가, 배터리의 음극 용량을 최대 2.6배 늘리는데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST,원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이민아 박사, 에너지소재연구센터 홍지현 박사, 수소연료전지연구센터 정향수 박사 공동연구팀이 리튬배터리의 흑연-실리콘 복합 음극 제작과정에 활용 가능한 전처리용액을 개발했다고 15일 밝혔다.

이에 따라 배터리 음극재의 실리콘 함량이 50% 이상으로 증가돼 기존 대비 2.6배 이상의 음극 용량을 갖는 소재를 제작하게 됐다.

상용화된 리튬배터리는 대부분 음극 소재로 흑연을 사용한다. 실리콘 소재의 경우 흑연보다 에너지 저장능력이 5~10배 높아 차세대 음극 소재로 주목 받고 있다. 하지만 실리콘은 흑연에 비해 3배 가량 많은 양의 리튬을 소모해 흑연을 완전히 대체하지 못하고 있다. 그래서 흑연과 실리콘을 혼합한 복합전극이 실질적인 차세대 음극 소재로 부상하고 있다.

흑연-실리콘 복합 음극은 실리콘 함량이 높을수록 용량은 커지지만 초기 손실도 함께 높아지는 단점으로 현재로서는 실리콘 함량을 15% 이상으로 늘리지 못하고 있다. 실리콘 함량을 50%까지 높이면 전체 리튬의 40%가 초기에 손실 된다.

이를 해결하기 위해 이민아 박사팀은 전극을 특수한 용액에 담갔다 빼는 공정을 개발해 실리콘과 흑연이 혼합된 전극에서도 안정적으로 손실될 리튬을 공급할 수 있게 됐다.

이렇게 되면 흑연-실리콘 전극을 해당 용액에 1분 정도 담가, 실리콘 비율을 50%까지 높여도 초기 리튬 소모 현상을 완전 차단이 가능해진다. 첫 충전 시 1% 이하의 리튬을 소모해 100%에 가까운 높은 초기 효율을 보였다.

개발된 전극은 기존 흑연만을 사용한 음극에 비해 약 2.6배 높은 용량을 가지며 250회 충·방전하는 내구성 시험 후에도 87.3% 용량이 유지되는 우수한 수명 특성을 보였다.

이민아 KIST 박사는 “이에 따라 보다 높은 용량을 지니는 배터리 생산이 가능해 향후 전기 자동차의 주행거리를 획기적으로 향상시키는 데 활용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

또 홍지현 KIST 박사는 “안전하고 대량 양산에 적합한 기술로 실제 산업화도 가능할 것”이라고 말했다.

한편,이번 연구 결과는 화학 분야 국제학술지 ‘Journal of the American Chemical Society’ 최신호에 게재됐다.