전기차 대용량 리튬 이온전지 개발 길 열렸다

국내 연구진이 실리콘 충·방전 기술 개발

저공해 하이브리드 자동차나 전기자동차의 핵심 역할을 하는 리튬이온 전지 개발에 속도를 낼 전망이다. 국내 연구원들이 친환경 자동차에 응용할 수 있는 리튬이차전지의 차세대 음극 소재인 실리콘 물질 부피팽창과 파괴의 비밀을 밝혀냈다.

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미국에서 연수중인 한국과학기술원 출신 연구원들은 실리콘 물질은 기존의 흑연 음극보다 용량이 10배 이상 크지만 충전-방전 시 입자가 크게 부풀어 깨지는 단점이 있어 이를 해결하기 위한 연구를 진행했다.

실제 실리콘 리튬이온전지 안에는 여러 개의 물질 입자가 존재하지만 지금까지의 연구는 실리콘 한 개의 물질 입자를 기준으로 연구가 진행됐다. 그 결과 이 입자는 원자 배열에 따라 특정 방향으로 깨지기 쉬우며 입자가 클수록 잘 깨진다고 알려졌다.

이현욱 연구원

깨짐 현상을 개선하기 위해 입자를 나노 크기로 작게 만드는 연구가 계속되고 있었으나 이는 많은 비용이 소요되는 문제가 있었다.

연구진은 단일 입자가 아닌 실리콘 물질 간의 상호작용에 주목, 이 물질을 여러 개의 나노크기로 만든 기둥인 나노 필라로 만들어 시뮬레이션과 인시츄(in-situ) 투과전자현미경을 활용해 관찰했다. 그 결과 여러 개의 실리콘 입자가 서로 영향을 주고받아 단일 입자일 때와는 다르게 부풀고 깨지는 것을 발견했다.

이같은 결과를 향후 실리콘 물질을 음극으로 하는 리튬이온전지를 개발할 때 활용하면 실리콘 입자를 나노 크기로 만들지 않고도 입자들의 상호작용을 이용하여 부피 팽창과 그에 따른 파괴를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구를 수행한 스탠포드대학 이추이 교수팀의 이석우 연구원과 이현욱 연구원은 “이 성과는 실제 이차전지와 같이 제한된 공간에서 실리콘 입자들이 그간 알려진 것과 달리 입자 간 영향에 의해 파괴됨을 밝혀낸 데에 의의가 있다”며 “인시츄 투과전자현미경이라는 새로운 분석 방법을 통해 앞으로 실리콘 뿐만 아니라 아직 밝혀지지 않은 다른 이차전지 소재연구로 확장할 계획”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구결과는 네이처 커뮤니케이션스지(Nature Communications) 6월 26일자 온라인판에 게재됐다.