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[과학] KIST, 배터리 음극재 용량 2.6배 늘릴 차세대 소재 개발

입력 2021/07/21 04:05
수정 2021/07/21 10:11
리튬 손실 최소화해 효율 높여
리튬 손실을 막아 2차전지의 용량을 크게 늘릴 수 있는 특수 용액 소재 기술이 개발됐다.

최근 한국과학기술연구원(KIST) 연구팀은 리튬 배터리의 흑연-실리콘 복합음극 제작 과정에 활용할 수 있는 전처리 용액을 개발해 실리콘 함량을 50% 이상으로 늘림으로써 기존 대비 2.6배 이상의 용량을 갖는 음극 소재를 제작하는 데 성공했다.

상용화된 리튬 배터리는 대부분 음극 소재로 흑연을 사용하고 있다. 실리콘은 흑연보다 에너지 저장능력이 5~10배 높아 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 하지만 실리콘은 흑연에 비해 3배가량 많은 양의 리튬을 소모하기 때문에 흑연을 완전히 대체하지 못하고 있다. 흑연과 실리콘을 혼합한 '흑연-실리콘 복합전극'이 실질적인 차세대 음극 소재로 주목받고 있는 이유다.


단 흑연-실리콘 복합음극은 실리콘의 함량이 높을수록 용량은 커지지만 초기 손실도 함께 높아진다는 단점이 있다. 현재 기술로는 실리콘 함량을 15% 이상으로 늘리지 못하고 있고 실리콘 함량을 50%로 했을 때는 전체 리튬의 40%가 초기에 손실된다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 배터리 전극을 담갔다 빼며 리튬 손실을 막아줄 수 있는 특수 용액을 개발했다. 연구팀이 개발한 특수 용액은 실리콘과 흑연이 혼합된 전극에서도 안정적으로 손실될 리튬을 공급할 수 있는 것으로 알려졌다.

연구팀에 따르면 이 용액에 흑연-실리콘 전국을 약 1분 담그면 실리콘 비율을 50%까지 올려도 초기 리튬 소모 현상을 완전히 차단하는 것으로 알려졌다.

특히 연구팀 실험 결과 첫 충전 시 1% 이하의 리튬을 소모해 100%에 가까운 높은 초기 효율을 보였다. 이를 통해 개발한 전극은 기존 흑연만을 사용한 음극에 비해 약 2.6배 높은 용량을 가지며, 250회 충·방전하는 내구성 시험 후에도 87.3%의 용량이 유지되는 우수한 수명 특성을 보였다.

이번 연구에 참여한 이민아 KIST 박사는 "더 높은 용량을 지니는 배터리 생산이 가능해 향후 전기자동차의 주행거리를 획기적으로 향상시키는 데 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

[이종화 기자]
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