전기차 주행거리 늘리는 이차전지 신소재 나왔다 … 부경대, ‘흑연 5배’ 고성능 복합 음극재 개발

[아시아경제 영남취재본부 김용우 기자] 전기차의 주행거리를 늘릴 수 있는 첨단 신소재 개발 기술이 세상에 나왔다.
차세대 이차전지의 기존 음극재인 흑연보다 용량이 5배나 큰 새로운 신소재가 개발돼 주목받고 있다.

국립부경대학교는 공업화학과 채수종 교수 연구팀이 최근 고성능 다공성 실리콘·탄소 복합 음극재를 개발했다고 30일 밝혔다.

연구팀은 4나노미터(nm) 미만의 실리콘 일차 입자가 마이크로미터(μm) 크기의 입자를 형성해 972m2/g의 큰 비표면적(단위부피 당 표면적)을 갖는 다공성 실리콘을 개발했다.

다공성 실리콘은 리튬을 저장할 때 발생하는 부피 팽창으로 인한 열화를 효과적으로 제어할 수 있는 구조적 장점이 있지만, 실리콘의 크기가 수 나노미터 이하로 작아지면 입자들이 덩어리로 뭉치는 소결 현상이 생겨 실리콘 일차 입자의 크기가 쉽게 커지거나 내부 입자 사이 틈을 잃어버리는 문제가 있었다.

연구팀은 원유에서 추출한 피치(원유나 콜타르 등을 증류시킨 뒤 남는 검은 찌꺼기)를 다공성 실리콘 내부로 균일하게 침투시키는 방식으로 이 문제를 해결했다.

연구팀이 실시간 투과전자현미경으로 분석한 결과 다공성 실리콘 내부에 존재하는 피치가 탄화하며 고온에서 실리콘의 소결 현상을 억제했다.

또 이렇게 탄화된 피치는 전지 구동 중 실리콘의 극심한 부피 변화와 열화를 방지하는 것으로 나타났다.

이렇게 개발된 다공성 실리콘·탄소 복합 음극재는 흑연 음극재보다 약 5배의 용량을 내는 것으로 확인됐다.

특히 완전지(full cell) 평가에서는 450회 충·방전 후에도 초기 용량의 80 %를 유지해 소결 현상을 해결하지 못한 다공성 실리콘·탄소 복합재와 비교하면 15배 이상 향상된 수명을 보였다.

채 교수는 “석유계 피치를 활용한 저렴하고 쉬운 공정으로 기존 다공성 실리콘 음극재의 문제점을 해결할 수 있는 핵심적인 기술을 개발했다”며, “이번에 개발한 음극재는 우수한 특성으로 전기차 주행거리 향상을 위한 차세대 실리콘 음극재로 활용할 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.

채 교수는 미국 퍼시픽노스웨스트국립연구소(PNNL)의 제이슨 장(Jason Zhang) 박사 연구팀과 공동으로 연구를 진행했다.
이번 연구성과는 재료과학 분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 최신호 온라인에 게재됐다.