‘실리콘 음극재 난제’ 해결 단서 찾았다

LG엔솔·연세대 교수팀 공동 연구
무기물 기반의 고강도 분리막 설계
충·방전 중 부피 팽창 ‘열화’ 개선

LG에너지솔루션과 연세대가 차세대 배터리 시장의 핵심 기술로 평가받는 실리콘 음극재 분야에서 기술적인 어려움을 해결할 단서를 찾았다.

LG에너지솔루션은 연세대 화공생명공학과 이상영·이용민 교수팀과의 공동 연구를 통해 충·방전 중 부피가 팽창하는 실리콘 음극재의 열화(화학적, 물리적 성질이 나빠지는 현상)를 개선할 핵심 기술 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.

이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 과학 저널인 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 ‘실리콘 음극 열화에 의한 리튬 이차전지 분리막의 기계적 손상’이라는 제목으로 게재됐다.

실리콘은 현재 음극재 시장에서 대표적인 신소재로 주목받고 있다. 오늘날 널리 쓰이는 음극재 소재인 흑연과 비교해 에너지 밀도를 10배 이상 향상시켜 전기차의 주행거리를 크게 늘릴 수 있을뿐더러, 급속 충전 설계에도 유리하다. 게다가 경제성과 친환경성이 높다.

하지만 실리콘 음극재는 배터리 충·방전 중 부피 팽창이 이뤄져 실제 적용에는 어려움이 많았다. 부피 변화로 셀 구조가 붕괴하거나 분리막에 악영향을 미쳐 배터리의 수명과 용량 확보에 어려움이 컸다.

연구팀은 무기물 기반의 고강도 분리막을 설계하는 등의 방식으로 열화 해결 방안을 찾았다고 설명했다. 기존에는 실리콘 음극 소재만 개선해 퇴화 현상을 개선하려고 했으나, 분리막 등 다른 소재의 조합을 통해 전체적인 배터리 시스템 관점에서 문제 해결의 실마리를 찾았다.

이처럼 개선된 소재 기술이 적용된 배터리는 고속 충·방전을 400사이클 진행한 후에도 88% 이상의 우수한 용량 유지율을 보이는 것으로 전해졌다.

이상영 교수는 “이번 연구의 가장 큰 의미는 그동안 배터리 분야의 큰 난제였던 실리콘 음극재의 수명 문제를 해결하기 위해 소재 자체를 넘어 배터리 시스템 전체를 바라보는 혁신적인 접근법을 제시했다는 점”이라며 “이를 통해 향후 배터리 연구 개발에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다”고 말했다.

김범수 기자 [e-mail]