금오공대 박철민 교수 연구팀, ‘차세대 고용량 실리콘 음극소재’ 개발

↑↑ 다중 매트릭스 실리콘 구조 개념도(제공 금오공대)

ⓒ 경북문화신문

국립금오공과대학교 박철민 교수(재료공학부 신소재공학전공) 연구팀이 리튬이온전지와 전고체전지에 모두 적용 가능한 ‘차세대 실리콘 기반 음극소재’를 개발했다고 지난 2일 밝혔다.

실리콘은 현재 상용 흑연 음극보다 약 10배 높은 이론용량을 가져 전기자동차와 에너지 저장장치의 주행거리 및 저장용량을 높일 수 있는 대표적인 차세대 음극소재로 주목받고 있다.

그러나 충·방전 과정에서 300% 이상에 이르는 큰 부피 변화가 발생해 입자 파쇄, 전극 균열, 전기적 접촉 손실, 불안정한 계면 형성 등의 문제로 인한 장기 수명과 실제 셀 적용에 한계가 있었다.

특히 고체 전해질을 사용하는 전고체전지는 액체 전해질과 달리 이온전도도가 낮고, 균일하지 않은 접촉면에서는 리튬이온이 확산되지 않아, 고체 간 계면접촉을 안정적으로 유지하는 것이 성능 향상과 실용화를 위한 핵심 과제로 여겨져 왔다.

연구팀은 이러한 문제 해결을 위해 실리콘 나노결정립을 여러 기능성 매트릭스 안에 균일하게 분산·고정하는 ‘다중 매트릭스’ 설계 전략을 제시했다.

먼저 실리콘(Si), 주석(Sn), 코발트(Co)를 기계화학적으로 반응시켜 비정질 주석과 코발트 실리사이드(CoSi2)로 이루어진 복합 매트릭스 내에 나노크기 실리콘 결정립이 균일하게 분산된 복합체를 제조했다. 이후 흑연과 비정질 탄소 코팅층을 추가로 도입해 최종 실리콘 기반 나노복합 음극을 구현했다.

이러한 실리콘 기반 나노복합 음극에서 ‘비정질 주석’은 높은 연성과 전자전도성을 바탕으로 실리콘의 부피 변화 완화와 전자 이동 경로를 제공한다.

‘코발트 실리사이드’는 기계적으로 견고하면서도 탄성 회복이 가능한 골격 역할을 하며 반복적인 충전과 방전에서도 전극 구조를 안정적으로 유지한다. 또한 ‘흑연’은 리튬 저장이 가능한 전도성 완충 지지체로 작용하며, ‘비정질 탄소 코팅층’은 입자 간 전도 네트워크와 계면 안정성을 향상시킨다.