"실리콘음극 리튬 손실 방지기술 개발…리튬전지 용량 25% 향상"
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.
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.
jungle@yna.co.kr
(끝)
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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.
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.
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