▲전기자동차 ▲에너지저장시스템 ▲방위산업 ▲ 우주‧항공 산업 분야에서 사용 빈도가 증가 중인 '고용량 리튬이온전지'의 성능을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다. 

KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 정훈기 녹색도시기술연구소 에너지융합연구단 박사팀이 흑연 음극재를 대체할 실리콘 기반의 음극재를 개발해 리튬이온전지의 성능(에너지 밀도)과 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다고 21일 밝혔다. 

리튬이온전지는 1990년대 소니(SONY)에 의해 최초로 상용화돼 현재 휴대폰, 노트북의 소형 전원에서 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage Systems) 등의 대용량 전원까지 활용되고 있다.

수요가 매년 증가함에 따라 리튬이온전지의 성능(에너지밀도)을 증대시키기 위해 양극 소재에 대한 개발이 활발히 진행돼 고용량의 양극 소재가 적용되고 있으나, 음극 소재는 상용화 후 30년 가까이 지난 지금까지도 흑연 소재 음극재(약 370mAh/g)를 사용하고 있어 한계에 가까워진 실정이다. 

이론적으로 실리콘 기반 음극재는 상용화된 흑연계 음극재보다 10배 이상의 높은 용량을 가진다고 알려져 있으며, 세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 그러나 실리콘 음극재는 충전과 방전을 반복함에 따라 약 4배 정도의 부피 변화를 동반하고 심지어 입자가 부서지거나 전극이 벗겨짐으로 인해 전지 성능을 급격히 감소시키는 문제가 상용화에 걸림돌이 되어왔다.

동시에 반복되는 충·방전을 통해 실리콘 나노 입자의 부피가 팽창하면서 점점 더 작은 크기로 부서져, 다공성 탄소 기공 내에 안정적인 위치로의 재배치가 이루어지게해 부피팽창 없이 500회(cycle) 이상 안정적인 충·방전이 가능한 성능을 구현했다. 

또 개발된 실리콘 음극재가 기존의 흑연계 음극재의 성능에 비해 4배 가량 상회하는 것을 확인하는 등 배터리의 오랜 수명과 고출력을 구현하는데 성공했다. 

정훈기 박사는 "이번 연구는 실리콘 음극재의 구조적 안정성과 고성능을 동시에 확보한 결과"라며 "안전하고 오래 쓸 수 있는 리튬이온전지용 실리콘 음극재의 상용화를 앞당겨 향후 고용량 리튬이온전지가 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)으로의 적용을 기대한다"고 말했다.