전기차·휴대폰 리튬전지 용량 25% 높인 기술 나온다

한국과학기술연구원(KIST) 이민아-홍지현 박사팀

“실리콘음극 리튬 손실 방지…고환원성 사전리튬화 용액으로 실리콘 음극 전처리”

실리콘 음극 사전 리튬화 공정 모식도. /한국과학기술연구원

국내 연구진이 리튬이온의 손실을 막는 기술로 전기차와 휴대폰의 배터리 용량을 25% 향상하는데 성공했다. 이 기술은 롤투롤(roll to roll) 공정에도 적용할 수 있어 기존 업계의 전지 제조 설비를 활용해 양산할 수 있을 것으로 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST) 청정신기술연구소의 이민아 박사팀과 홍지현 박사팀은 분자구조 설계 방식으로 높은 환원성을 갖는 ‘사전 리튬화’ 용액을 개발, 실리콘계 음극 상용화에 걸림돌이 돼온 초기 리튬이온 손실 현상을 막는 데 성공했다고 2일 밝혔다.

리튬이온전지의 충전용량 대형화에 한계가 있는 흑연계 음극을 대체할 소재로 주목받는 실리콘 기반 음극의 리튬이온 손실을 막는 기술을 개발한 것이다. 하지만 실리콘계 음극은 리튬이온 저장능력이 흑연의 4배 이상이지만 처음 충전할 때 리튬이온의 20% 이상이 화학반응 등으로 손실되고 내구성이 떨어지는 단점이 있다. 흑연계 음극의 첫 충전 때 리튬이온 손실률은 10% 이하다.

이에 따라 배터리 조립 전에 음극에 리튬을 삽입, 첫 충전 때 손실되는 리튬을 보충하도록 하는 ‘사전 리튬화’ 기술이 모색되고 있으나 리튬 분말을 활용해 비싸고 화재 위험이 있어 상용화되지 못했다.

사전 리튬화 공정 모식도. /한국과학기술연구원

연구팀은 이 문제를 리튬 분말 대신 고환원성 리튬화 용액을 개발, 실리콘 음극에 리튬이온을 삽입하는 사전 리튬화 전처리 기술을 개발했다. 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. 처음 충전할 때 리튬 손실이 1% 이내로 감소, 초기 효율이 99%를 상회한 것이다. 이 방식으로 리튬이온전지를 제작한 결과, 에너지 밀도가 504Wh/㎏으로 기존 흑연계 음극을 사용한 상용 리튬이온전지(406Wh/㎏)보다 25% 향상됐다.

이민아 박사는 “전처리 용액의 온도와 처리 시간 조절만으로 고용량 실리콘계 음극의 효율을 향상할 수 있었다”고 말했다. 이 연구는 화학 분야 국제 학술지 ‘앙게반테 케미’에 표지논문으로 출간될 예정이다. /고광본 선임기자 [e-mail]