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실리콘 음극 ‘레이저 결합’으로 배터리 수명 높인다

- 탄소 복합체·레이저 처리로 충·방전 시 전극 손상 줄여

- 흑연 대비 용량 최대 20배, 미처리 실리콘 대비 수명 2배

□ 한국생산기술연구원이 충·방전을 반복할수록 쉽게 손상되는 실리콘 음극의 안정성을 높이는 기술을 개발했다.

ㅇ 생기원 서남기술실용화본부 에너지나노그룹 임진섭 수석연구원 연구팀은 전남대학교(이하 전남대) 고분자융합소재공학부 윤창훈 교수 연구팀과 함께 실리콘 입자를 안정적으로 지지하는 3차원 전도성 골격을 구현했다.

ㅇ 연구팀은 여기에 적외선 레이저 처리를 더해 골격 간 연결성을 높임으로써, 충·방전 과정에서 발생하는 실리콘 음극의 구조 손상을 완화하는 데 성공했다고 밝혔다.

□ 스마트폰, 전기차 등에 사용되는 리튬이온전지는 충전 과정에서 리튬이온을 음극에 저장하고, 사용 시 다시 양극으로 이동시키며 전기를 공급하는 구조이다. 

ㅇ 이때 음극 소재로 널리 쓰이는 흑연은 장기간 사용해도 안정적이지만, 저장할 수 있는 리튬의 양이 제한적이어서 보다 많은 리튬을 저장할 수 있는 실리콘이 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.

ㅇ 그런데 실리콘은 충‧방전 과정에서 부피가 크게 팽창‧수축하는 특성으로 인해 배터리 용량이 빠르게 감소하는 단점이 있다.

□ 연구팀은 실리콘 음극의 구조 손상을 줄이기 위해 마이크로 실리콘 입자에 셀룰로오스-탄소나노튜브 복합체(Cellulose-Carbon Nanotube, 이하 C-CNT)를 결합해 음극층을 만들었다.

ㅇ C-CNT는 식물 섬유인 셀룰로오스와 전기가 잘 통하는 탄소나노튜브를 결합한 복합체다.

ㅇ 음극층 안에서 이 복합체가 서로 얽히며 형성된 3차원 지지 구조물(Scaffold)이 실리콘 입자를 촘촘히 감싸 잡아 주고, 전자 이동 통로 역할도 함께 수행해 충·방전 과정에서도 음극 구조가 안정적으로 유지될 수 있다.

□ 연구팀은 여기에 파장 1,070나노미터(㎚)의 적외선 레이저를 조사해 C-CNT를 실리콘 표면에 결합시켜 두 소재 간 결합력을 높였다.

ㅇ 레이저가 조사되면 실리콘 입자 표면이 순간적으로 가열되면서 주변의 탄소나노튜브와 셀룰로오스가 실리콘 표면에 화학적으로 결합하게 된다.

ㅇ 이 과정에서 셀룰로오스는 전기가 더 잘 통하는 흑연 구조로 변환되고, 실리콘 표면에는 탄화규소(SiC) 보호막이 형성되는 원리이다. 

ㅇ 이를 통해 실리콘이 팽창·수축하는 과정에서도 탄소 지지 구조물이 함께 지탱해 주기 때문에 음극 구조를 안정적으로 유지할 수 있다.

□ 개발된 음극은 전기화학 특성 평가 결과 초기 용량과 용량 유지율이 모두 개선된 것으로 나타났다.

ㅇ 저속 충·방전 조건인 0.1C*에서 2,213밀리암페어시 퍼 그램(mAh/g), 고속 충·방전 조건(2.0C)에서 1,350mAh/g의 초기 용량을 기록했다.

 * 배터리를 충전하거나 방전하는 속도를 나타내는 단위로, 1C는 약 1시간, 2.0C는 약 30분, 0.1C는 약 10시간에 충·방전하는 속도에 해당

ㅇ 이는 흑연 음극의 용량인 300mAh/g(0.1C), 65mAh/g(2.0C)과 비교해 약 7배, 20배 높은 수치다.

ㅇ 100회 충․방전 후 용량 유지율은 레이저 처리를 하지 않은 실리콘 음극 34%보다 2배 이상 높은 71%의 수명 특성을 기록했다. 

□ 임진섭 수석연구원은 “이번 성과는 실리콘 음극의 저장 용량을 높였을 뿐 아니라 반복 사용 중 음극 구조가 손상되는 문제를 줄였다는 데 의미가 있다”고 말하며 “대면적 전극 제조 조건과 실제 셀 적용 가능성을 단계적으로 검증할 계획”이라고 밝혔다.

ㅇ 공동 교신저자 윤창훈 교수는 “셀룰로오스-탄소나노튜브 복합체 기술을 배터리 음극 구조 설계에 적용한 사례”라며, “당초 온실가스 농도 측정을 위한 센서 개발 과정에서 출발한 복합체기술이 생기원의 배터리 소재‧공정 연구 역량과 결합 되며 의미 있는 성과로 이어졌다”라고 밝혔다.

□ 이번 연구는 과학기술정보통신부의‘에너지 변환 및 저장 소자 자원재순환 지역혁신 선도연구센터’사업 지원을 받아 수행되어 4월 22일 재료과학 분야 학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 온라인판에 게재됐다.

 ※ 논문명 : Laser-Welded Cellulose-Carbon Nanotube Nanocomposites as a 3D Scaffold of Si Anodes for High-Performance Lithium-Ion Batteriess(https://doi.org/10.1002/adfm.20252