우리 대학 연구진이 Si 음극소재의 상온에서 구동 시 열화 메커니즘을 규명했다.
문장혁 교수 연구팀(왼쪽부터 문장혁 교수, 박성수 박사과정생)
에너지 시스템 공학부 문장혁 교수와 대학원 에너지시스템공학과 박성수 박사과정생 연구팀이 고려대학교 유승호 교수 연구팀과 함께 발표한 ‘실리콘 기반 음극을 사용한 리튬 이온 배터리의 급격한 용량 저하 원인(Origins of Abrupt Capacity Degradation in Lithium-Ion Batteries with Silicon-Based Anodes)’ 논문이 지난해 피인용 지수(Impact Factor) 26을 기록한 에너지 분야의 세계적 학술지 ‘Advanced energy materials’에 게재됐다.
리튬 이온 전지는 에너지 저장 장치로써 전자제품 및 전기 자동차에 널리 사용되고 있다. 그러나, 탄소기반 음극의 낮은 이론적 용량(372mAh g-1)으로 인하여 실리콘 음극으로 활용한 연구가 활발히 진행중에 있다.
실리콘 음극을 활용한 리튬 이온 전지는 탄소기반 음극보다 높은 이론적 용량(3,580mAh/g)을 가지고 있지만 충-방전 과정에서 300%가 넘는 부피 팽창으로 인하여 입자의 파단이 발생하게 되고 급격한 성능 열화가 발생한다.
사진설명. 흑연/SiO 음극의 장기 사이클링 메커니즘에 대한 설명
이러한 실리콘 음극의 성능 열화는 배터리 구동 온도에 따른 상이한 경향성을 보이는데, 상온인 25 ℃ 인 경우 Si 음극의 급격한 성능 저하가 관찰되지만, 고온인 50 ℃ 인 경우 Si 음극의 성능 저하가 급격하게 나타나지 않는 점을 확인하였다.
본 연구팀은 Si을 음극으로 활용한 전지에서 상온에서 급격하게 용량이 감소하는 형태가 Si 입자내 리튬 농도 차이에 의한 유도 응력(Diffusion-induced stress)임을 확인하였으며, 상온에서 큰 표면 균열에 의해 전해질 분해를 촉진해 리튬 이온을 막는 저항 층(Solid electrolyte interphase)을 형성하여 전지의 성능이 급격하게 감소하는 것을 고려대 유승호 교수 연구팀과 함께 규명하였다.
사진설명. SiO 입자 내에서의 상온, 고온에서 입자내 농도 분포 차이와 농도 차이에 의한 응력 분석 및 흑연 – 실리콘 복합 전극에서의 농도 차이 분석
문장혁 교수는 “이번 연구는 Si 음극 기반 안정적인 고용량 리튬 이온 전지 기술을 제시하는 계기가 될 것”이라며, “최근 안정성 이슈가 발생하는 전기자동차용 배터리 기술개발에 활용될 것으로 기대되는 성과”라고 말했다.