이정규 동아대 화학공학과 교수.

동아대학교(총장 한석정) 화학공학과 이정규 교수팀이 차세대 2차전지용 음극소재에 적용 가능한 ‘다공성 실리콘 입자 제조기술’을 개발, 충·방전 반복 시 전극 부피팽창이 커져 전지 수명이 짧아지는 실리콘 소재의 문제점을 해결할 수 있는 길이 열렸다.

이번 연구의 성과는 화학 및 재료분야 권위 있는 학술지인 ‘ACS Nano’ 4월호에 게재됐다. 이정규 교수팀은 이번 연구에서 ‘값싼 상용 제올라이트를 원료로 최적화된 금속 환원법을 적용, 경제적이고 높은 전환율로 다공성 실리콘 입자를 제조하는 것이 가능하다’고 밝혔다.

‘다공성 실리콘 입자’는 20~30나노미터의 매우 작은 결정성 실리콘 1차 입자가 소결돼 마이크로미터 크기의 입자를 형성하고, 내부에 20~30나노미터 크기의 메조 기공이 발달해 있다.

다공성 실리콘 입자의 이런 구조적 특성을 이용, 리튬 2차전지 음극소재로 적용하면 기존의 실리콘 나노입자와 비교해 전극 부피팽창이 현격히 줄고, 500회 충·방전 반복 후에도 용량이 80% 유지되는 등 높은 용량에서도 수명이 획기적으로 개선되는 효과를 보였다.

또 이 교수팀은 다공성 실리콘 음극과 상용 양극(NCM622)이 결합된 완전지(full cell)를 제작, ‘에너지 밀도’를 예측한 결과 현재 기술 대비 30~45% 향상된 320Wh/kg로 나타났다고 설명했다.

이 교수는 “실리콘 기반 소재는 상용 리튬 2차전지의 여러 성능지표를 제한하는 흑연계 음극소재를 대체할 차세대 고용량 음극소재로서 전 세계적으로 개발경쟁이 치열하지만, 기술적 문제로 대규모 상용화가 되지 못하고 있다”며 “‘초기 비가역 용량’ 개선 등 연구를 보완해 기술적 완성도가 높은 고용량 실리콘 기반 음극소재로 개발할 것”이라고 밝혔다.

한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단 중견연구자지원사업의 하나로 진행된 이번 연구 논문의 제1저자(김나현)와 공저자 모두 동아대 대학원생이 참여했다.

[대학=중부뉴스통신]김준희 인턴기자  desk@jungbunews.com

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