차세대 전지 소재 실리콘 음극재, 추우면 잘 깨진다

UNIST-난양공대, 배터리 음극재 실리콘의 온도별 팽창 관찰

차세대 배터리 소재로 주목받는 실리콘 음극재는 저온에서 성능과 안전성이 떨어진다는 것이 실제 관측으로 드러났다. 저온 환경에 적합한 실리콘 음극재 개발이 과제로 제시됐다. 

UNIST(총장 이용훈)는 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀이 배터리 음극 소재로 쓰인 실리콘의 온도별 충·방전 특성을 분석, 이같은 결과를 얻었다고 12일 밝혔다. 

이현욱 UNIST 에너지화학공학과 교수

실리콘은 기존 음극재 소재인 흑연보다 용량이 이론상 10배 크다. 하지만 충전과 방전을 반복하면서 실리콘 입자의 부피가 4배 정도 팽창하면서 내부 구조를 손상킨다. 팽창하면서 단일 입자와 전자가 파괴되고, 깨진 표면을 따라 고체 전해질 계면이 형성되면 리튬 이온 전달이 느려진다. 

실리콘을 차세대 음극재로 쓰려면 부피 팽창으로 인한 구조적 안정성 문제 해결이 관건이다. 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 실리콘 음극재의 변화를 관찰했다. 온도별로 실리콘 음극재의 부피 팽창과 파괴 거동을 분석해 실리콘의 구조적 안정성 개선안을 찾기 위함이라고 연구진은 설명했다. 

연구진은 방향성이 다른 3 종류의 단결정 실리콘 웨이퍼에 전자빔(E-beam)으로 다양한 지름의 실리콘 나노 기둥을 제작했다. 나노 기둥을 중심으로 배터리 셀을 조립하고, 여기에 전기를 충‧방전하며 리튬과 실리콘 웨이퍼의 전기화학반응을 살폈다. 그 결과, 실리콘 웨이퍼의 결정면 방향에 따라 각 나노 기둥은 리튬 충전 후 서로 다른 부피 팽창 거동을 보였다.

제1저자인 염수정 UNIST 에너지화학공학과 석‧박사통합과정 연구원은 "실리콘 결정면의 특징에 따라 각각 둘, 넷, 여섯 방향으로 팽창하는데, 저온이나 상온 이상의 환경에서는 다른 특성을 보였다"라며 "높은 온도에선 부피 팽창의 방향성이 줄어들고, 0℃ 이하에선 팽창 방향성이 증가해 나노 기둥이 쉽게 파괴됐다"고 밝혔다.

상온에서 충방전할 때(왼쪽)보다 저온에서 충방전할 때(오른쪽) 실리콘 나노 기둥이 심하게 파괴된다. (자료=UNIST)

연구팀은 영하 20℃ 이하 저온 환경에서 리튬 충‧방전을 거친 실리콘 나노 기둥의 파괴 거동도 분석했다. 상온에선 리튬 이온을 두 번 충전해도 비교적 안정적이었던 300나노미터(㎚) 지름의 실리콘 나노 기둥이 저온 환경에선 100% 파괴됐다.

이현욱 교수는 "이번 연구를 미루어 보면, 겨울철 저온 환경에서 충‧방전할 때 실리콘 음극에서 부피 팽창과 파괴가 나타날 수 있다"라며 "저온에서 실리콘 음극의 기계적 거동을 규명하고 파괴를 완화하는 방법을 개발하는 추가 연구가 필요할 것"이라고 제안했다.

이 연구는 싱가포르 난양공대 이석유 교수 연구팀과 공동으로 진행됐으며, 한국에너지기술평가원 에너지인력양성사업 프로그램의 지원을 받았다. 학술지 '나노레터스(Nano Letters)'에 게재됐다.