전지 내부 나노 수준으로 엿본다...실리콘 음극재 연구 활용

KAIST, 리튬이차전지 실리콘 음극 전자전도도 퇴화를나노스케일에서 영상화

리튬이온전지 속 전자 전달 채널을 왜곡 없이 들여다볼 수 있는 나노수준 영상 기술이 개발됐다. 이를 통해 단일벽 탄소나노튜브를 사용한 전극이 다른 소재에 비해 우수한 성능을 보임도 밝혔다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 LG에너지솔루션과 협업, 나노스케일 분해능으로 전극 내 전자 전도 채널을 왜곡 신호 없이 정량적으로 추출하는 방법론을 개발했다고 8일 밝혔다.

KAIST 신소재공학과 홍승범 교수(오른쪽)와 박건 박사과정생 (사진=KAIST)

이 기술은 리튬이온전지의 에너지 밀도를 높이기 위한 실리콘 음극재 소재 개발에 활용이 기대된다. 실리콘은 기존 음극재로 쓰이는 흑연에 비해 전지 용량을 높일 수 있지만, 충방전을 할 때 부피 팽창률이 흑연의 4배에 달해 내부 구조를 손상시킨다는 문제가 있다.

이를 보완하기 위해 다양한 도전재 시스템에 대한 연구가 활발하다. 활물질 내 균등한 전기화학 반응을 일으키려면 전극 내 전자 전도 채널의 확보가 필요하며, 이를 연구하기 위해선 나노 수준 공간 분해능을 갖고 전지 내부를 영상화하는 방법이 필요하다.

연구팀은 전극 소재와 같이 표면 거칠기가 큰 시료에서 전도성 원자간력현미경(C-AFM)을 운용할 때 발생하는 왜곡 정보인 용량성 전류(capacitive current)의 원인을 규명하고, 피어슨 상관 분석 방법을 기반으로 이 왜곡 정보를 제거했다. 이 방법론을 실리콘 및 흑연 기반 복합 음극에 적용해 도전재 성분에 따른 전자 전도 채널을 영상화했다.

SiO/graphite 음극 위에서 C-AFM 운용시 스캔 방향에 따른 이미지의 이질성. (a,b,c) 왼쪽에서 오른쪽, (d,e,f) 오른쪽에서 왼쪽. (g,h,i) 피어슨 상관관계 분석을 통한 왜곡 신호 추출. (j) 왜곡 신호인 용량성 전류의 원인을 설명하는 도식. (자료=KAIST)

이를 통해 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)가 적용된 전극의 전기적, 전기화학적 우수성을 입증하는 데도 성공했다. 실리콘 기반 전극처럼 활물질의 부피 변화가 큰 시스템에서는 기존의 점형 도전재보다 선형 구조를 가진 적 장점을 갖고 있는 SWCNT가 안정적 전자 전도 채널 확보에 유리한 것으로 나타났다. 또 SWCNT가 포함된 복합 전극은 충방전을 130회 거친 후에도 활물질의 분쇄가 보다 억제됐다.

홍승범 교수는 "왜곡 신호의 원인을 규명하고, 이를 정량적으로 제거하는 연구는 영상화 분야에서 매우 중요하다"라며 "이번에 개발한 방법론이 전극 내 전자 전도 채널 강화에 적용돼, 실리콘 기반 복합 음극의 고도화를 앞당기는 데 도움이 되면 좋겠다"라고 말했다.

이 연구는 LG에너지솔루션-KAIST 프론티어 리서치 랩과 KAIST 글로벌 특이점 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 학술지 '에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 앤드 인터페이시스(ACS Applied Materials & Interfaces)'에 실렸다.