국내 연구진이 배터리 손실을 막아 사용시간을 늘릴 수 있는 기술을 개발했다. 

KIST(한국과학기술연구원·원장 윤석진)는 이민아·홍지현·정향수 박사 공동연구팀이 기존 대비 배터리 음극용량 2.6배 이상을 갖는 음극 소재를 제작하는데 성공했다고 15일 밝혔다. 리튬 배터리의 흑연-실리콘 복합음극 제작과정에 활용할 수 있는 전처리 용액을 개발해 실리콘 함량을 50% 이상 늘려 가능했다.

상용화된 리튬 배터리는 대부분 음극 소재로 흑연을 사용하는데 실리콘은 흑연보다 에너지 저장능력이 5~10배 높아 차세대 음극 소재로 주목받는다. 하지만 실리콘은 흑연에 비해 3배가량 많은 양의 리튬을 소모해 흑연을 완전 대체하지 못하고 있다. 흑연과 실리콘을 '혼합한 흑연-실리콘 복합전극'이 실질적인 차세대 음극소재로 주목받지만 실리콘 함량이 높을 수록 초기손실도 높아져 실리콘 함량을 15%이상 늘리지못하고있다.

이를 해결하기 위해 손실될 리튬을 음극에 미리 추가로 공급하는 사전리튬화 방법이 연구 되고 있지만 실리콘과 흑연은 리튬을 저장하는 화학적 원리가 달라 흑연의 구조가 파괴되는 문제점이 발생했다.

연구팀은 전극 파괴를 방지할 수 있도록 용액 내 분자들의 상호작용의 세기를 조절, 새로운 조성의 용액을 개발해 실리콘과 흑연이 혼합된 전극에서도 안정적으로 손실될 리튬을 공급할 수 있게 했다.

흑연-실리콘 전극을 해당 용액에 1분 정도 담구면, 실리콘의 비율을 50%까지 올려도 초기 리튬 소모 현상을 완전히 차단, 첫 충전 시 1% 이하의 리튬을 소모하여 100%에 가까운 높은 초기효율을 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.

이민아 박사는 "15% 이내에 머물던 흑연-실리콘 복합음극 내의 실리콘 함량을 50% 이상으로도 올릴 수 있을 것을 것으로 보인다. 높은 용량을 지니는 배터리 생산으로 전기자동차의 주행거리를 획기적으로 향상시키는 데 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

연구결과는 화학 분야 국제학술지 'Journal of the American Chemical Society'에 게재됐다.