[에듀플러스]가천대, 전고체전지 순수 실리콘 음극 성능 5배 이상 향상

가천대 화공생명배터리공학부 이동수 교수, 박찬호 교수, 최정현 교수 (사진 위 좌측부터), 이찬호 석사과정생, 남유리 석사(가천대), 한국지질자원연구원 정인철 선임 연구원 (사진 아래 좌측부터)

가천대학교는 이동수 화공생명배터리공학부 교수, 박찬호 교수, 최정현 교수 연구팀이 정인철 한국지질자원연구원 박사 연구팀과 공동으로 전고체전지용 순수 실리콘 음극의 수명과 충·방전 성능을 크게 개선한 신소재 바인더 'IRCB(계면강화 가교 바인더)'를 개발했다고 9일 밝혔다.

배터리는 일반적으로 양극과 음극 사이를 리튬 이온이 오가며 에너지를 저장·방출한다. 이 가운데 음극 소재로 주로 사용되는 흑연 대신 실리콘을 사용하면 이론적으로 약 10배 많은 전기를 저장할 수 있다. 같은 크기의 배터리로 더 오래 사용할 수 있는 셈이다.

그러나 실리콘은 충·방전 과정에서 부피가 최대 3배까지 팽창·수축해 입자 파괴와 계면 박리, 내부 단절 등 문제가 반복되며 상용 배터리에서는 소량 첨가 형태로만 활용돼 왔다. 특히 전극과 전해질이 밀착돼야 하는 전고체전지에서는 이러한 부피 변화로 고체 간 접촉이 쉽게 깨져 순수 실리콘을 적용하기 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 3차원 그물망 구조를 갖는 계면강화 가교 바인더(IRCB)를 설계했다. 이 바인더는 실리콘 입자 표면과 강한 수소결합 및 화학적 결합을 형성해 입자간 결합력을 높이고 반복적인 부피 변화에도 전극 구조가 무너지지 않도록 했다.

실험 결과 IRCB를 적용한 순수 실리콘 음극은 빠른 충·방전 조건에서 300회 반복 후에도 초기 용량의 90% 이상을 유지했다. 이는 배터리를 오래 사용해도 성능 저하가 크게 줄어듦을 의미한다.

이번 연구 성과는 에너지·재료 분야 국제 학술지 Advanced Science(Impact Factor 14.1)에 'Interfacially Reinforced Crosslinked Binder with Structural Integrity for Stable Micro-Sized Silicon Anodes in All-solid-state Batteries'라는 제목으로 지난 2일 온라인 게재됐다. 논문에는 이동수 교수가 주 교신저자로, 박찬호 교수와 최정현 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 제1저자는 이찬호 석사과정생이다. 남유리 석사(가천대)와 한국지질자원연구원 정인철 선임연구원은 공동 제1저자로 이름을 올렸다.

이동수 교수는 “이번 연구는 전고체전지에서 도전적인 소재로 여겨지는 순수 실리콘 음극을 안정적으로 구현할 수 있는 가능성을 제시했다”며 “고에너지밀도 전고체전지 상용화를 앞당길 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.

권미현 기자 mhkwon@etnews.com