가천대, 전고체전지 '순수 실리콘 음극' 성능 5배 개선

[아이뉴스24 권서아 기자] 가천대학교 연구진이 전고체전지용 순수 실리콘 음극의 수명과 충·방전 성능을 크게 개선할 수 있는 신소재 바인더를 개발했다.

가천대학교는 화공생명배터리공학부 이동수·박찬호·최정현 교수 연구팀이 한국지질자원연구원 정인철 박사 연구팀과 공동으로 전고체전지용 순수 실리콘 음극의 안정성을 높이는 '계면강화 가교 바인더(IRCB)'를 개발했다고 9일 밝혔다.

배터리는 양극과 음극 사이를 리튬 이온이 이동하며 에너지를 저장하고 방출한다.

음극 소재로 일반적으로 사용되는 흑연 대신 실리콘을 적용하면 이론적으로 약 10배 높은 전기 저장 용량을 확보할 수 있다.

하지만 실리콘은 충·방전 과정에서 부피가 최대 3배까지 팽창·수축하는 특성이 있어 입자 파괴와 계면 박리, 내부 단절 등이 발생하기 쉽다.

이 때문에 상용 배터리에서는 실리콘을 소량 첨가하는 방식으로만 활용돼 왔다.

특히 전극과 전해질이 밀착돼야 하는 전고체전지에서는 부피 변화로 인해 고체 간 접촉이 쉽게 깨지는 문제가 있어 순수 실리콘 음극 적용이 어려웠다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 3차원 그물망 구조를 갖는 IRCB 바인더를 설계했다.

이 소재는 에폭시-아민 반응을 통해 형성된 3차원 고분자 네트워크 구조로, 실리콘 입자 표면과 강한 수소결합 및 화학적 결합을 형성해 입자 간 결합력을 높이고 반복적인 부피 변화에도 전극 구조가 안정적으로 유지되도록 한다.

실험 결과 IRCB를 적용한 순수 실리콘 음극은 고속 충·방전 조건에서 300회 반복 후에도 초기 용량의 90% 이상을 유지했다.

이는 기존 플루오라이드(PVDF) 바인더 기반 실리콘 음극의 용량 유지율(16%)과 비교해 5배 이상 개선된 수치다.

이번 연구 결과는 지난 2일 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스'에 온라인 게재됐다.

논문에는 이동수 교수가 주 교신저자로 참여했으며 박찬호 교수와 최정현 교수가 공동 교신저자로 이름을 올렸다.

제1저자는 이찬호 가천대 석사과정생이며 남유리 석사(가천대)와 정인철 한국지질자원연구원 선임연구원이 공동 제1저자로 참여했다.

이동수 교수는 "이번 연구는 전고체전지에서 적용이 어려웠던 순수 실리콘 음극을 안정적으로 구현할 수 있는 가능성을 제시했다"며 "고에너지밀도 전고체전지 상용화를 앞당길 기반 기술이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구는 산업통상부 소재부품기술개발사업, 과학기술정보통신부 기초연구사업, 한국지질자원연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐다.