UNIST·KIST·고려대, 고성능 배터리 실리콘 음극 개발

상용 흑연 대비 용량 2.5배…200회 충반전에도 용량 85% 유지

UNIST는 강석주 에너지화학공학과 교수와 안석훈 한국과학기술연구원(KIST) 책임연구원, 곽상규 고려대학교 교수 공동연구팀이 전기 저장용량과 내구성을 높인 실리콘 복합 음극을 개발했다고 19일 밝혔다.

연구팀은 제주 돌담처럼 크기가 다른 입자들을 섞어 용량은 키우면서도 부피 팽창 문제를 잡았다. 상용 배터리에서 쓰이는 흑연 음극보다 용량이 2.5배 크다. 충·방전 때 전극에 생기는 균열을 줄일 수 있다.

강석주 교수는 "제주 돌담이 크고 작은 돌로 서로의 빈틈을 메워 구조가 단단하면서도 돌 사이 틈으로 바람을 흘려보내 강풍으로 받는 힘을 줄이는 것과 비슷한 원리"라고 말했다.

제주 돌담처럼 크기가 다른 입자를 조합해 내구성을 높인 실리콘 음극. 위는 흑연(회색)·유기소재(노란색)·실리콘(빨간색)을 조합한 복합 음극(왼쪽)과 유기소재가 없는 대조군(오른쪽)의 구조다. 아래는 1,000회 충·방전 후 전극 단면이다. 복합 음극은 치밀한 구조를 유지한 반면, 대조군에는 큰 균열이 생겼다.(그림=UNIST)

개발된 음극의 저장용량은 전류 밀도 0.1 A g⁻¹에서 약 890 mAh g⁻¹로, 같은 조건의 흑연 음극(약 350 mAh g⁻¹)보다 약 2.5배 크다. 음극 활물질 1g당 저장할 수 있는 전기의 양을 비교한 수치다.

고용량 NCM811 양극과 조합한 배터리는 30분만에 충·방전을 마치는 2C 조건에서 200회 충·방전 후에도 초기 용량의 약 85%를 유지했다. 실리콘 함량은 같지만 유기소재 없이 흑연·실리콘만 쓴 대조군은 같은 조건에서 약 55%를 유지하는 데 그쳤다. 파우치형 배터리도 1C에서 185회 충·방전 후 용량 유지율 85% 이상을 기록했다.

연구 결과는 재료 분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈에 온라인으로 소개됐다.