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"실리콘음극 리튬 손실 방지기술 개발…리튬전지 용량 25% 향상"

송고시간2020-06-02 12:00

KIST 이민아 박사 "고환원성 사전리튬화 용액으로 실리콘 음극 전처리"

(서울=연합뉴스) 정윤주 기자 = 국내 연구진이 리튬이온전지의 충전용량 대형화에 한계가 있는 흑연계 음극을 대체할 소재로 주목받는 실리콘 기반 음극의 리튬이온 손실을 막는 기술을 개발, 리튬이온전지의 충전용량을 25% 높이는 데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 2일 연구원 청정신기술연구소 에너지저장연구단 이민아 박사팀과 에너지소재연구단 홍지현 박사 연구팀이 분자구조 설계 방식으로 높은 환원성을 갖는 '사전 리튬화'(prelithiation) 용액을 개발, 실리콘계 음극 상용화에 걸림돌이 돼온 초기 리튬이온 손실 현상을 막는 데 성공했다고 밝혔다.

리튬이온전지는 각종 모바일 기기는 물론 전기자동차 등에 널리 사용되지만 음극 소재인 흑연의 리튬이온 저장능력이 떨어져 충전용량을 늘리는 데 한계가 있다.

이에 대한 해법으로 리튬이온 저장능력이 흑연의 4배 이상인 실리콘을 음극 소재로 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

그러나 실리콘계 음극은 흑연계 음극보다 용량은 크지만 처음 충전할 때 리튬이온이 20% 이상이 화학반응 등으로 손실되고 내구성이 떨어지는 단점이 있다. 흑연계 음극의 첫 충전 때 리튬이온 손실률은 10% 이하다.

리튬이온 손실 해결방안으로 '사전 리튬화' 기술이 연구되고 있다. 사전 리튬화는 배터리 조립 전에 음극에 리튬을 삽입, 첫 충전 때 손실되는 리튬을 보충하도록 하는 것이다.

기존에는 사전 리튬화에 리튬 분말을 활용하는 방안이 제시됐지만 공정비용이 비싸고 화재 위험이 있어 상용화에 이르지 못하고 있다.

실리콘 음극 사전 리튬화 공정 모식도
실리콘 음극 사전 리튬화 공정 모식도

[한국과학기술연구원 제공]

연구진은 이 연구에서 리튬 분말을 사용하는 대신 고환원성 리튬화 용액을 개발, 실리콘 음극에 리튬이온을 삽입하는 사전 리튬화 전처리 기술을 개발했다.

특히 전산재료과학 기법으로 사전 리튬화 용액의 환원력을 높일 수 있는 분자구조를 고안, 이 전처리 용액에 실리콘 음극극을 5분 정도만 담가도 균일한 화학반응으로 리튬이 실리콘 산화물 내부로 빠르게 삽입되도록 했다.

고환원성 리튬화 용액으로 5분간 전처리를 한 실리콘계 음극은 처음 충전할 때 리튬 손실이 1% 이내로 감소, 초기 효율이 99%를 상회하는 것으로 나타났다.

또 이 방식으로 처리한 실리콘 음극으로 리튬이온전지를 제작한 결과, 에너지 밀도가 504Wh/㎏으로 기존 흑연계 음극을 사용한 상용 리튬이온전지(406Wh/㎏)보다 25% 향상된 것으로 확인됐다.

이민아 박사는 "전처리 용액의 온도와 처리 시간 조절만으로 고용량 실리콘계 음극의 효율을 향상할 수 있었다"며 "롤투롤(roll to roll) 공정에도 적용할 수 있어 기존 업계의 전지 제조 설비를 활용한 양산도 가능할 것"이라고 말했다.

이 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 '앙게반테 케미'(Angewandte Chemie : International Edition) 최신호에 게재됐으며, 표지논문으로 선정돼 출판될 예정이다.

사전 리튬화(prelithiation) 공정 모식도
사전 리튬화(prelithiation) 공정 모식도

[한국과학기술연구원 제공]

jungle@yna.co.kr

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