대학 학부생이 주도한 리튬이차전지 실리콘 음극소재의 성능을 개선한 신기술 연구 논문이 세계적인 화학저널에 게재돼 화제다.

UNIST(울산과학기술대학교·총장 조무제)는 친환경에너지공학부 4학년 구본재(23)씨가 최남순 교수의 지도로 리튬이차전지 실리콘 음극소재의 성능을 개선한 연구 ‘리튬이차전지용 고성능 실리콘 음극실현을 위한 형성기억형 그물구조 고분자’ 결과를 지난 29일 세계적인 화학 저널인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie)에 발표했다고 30일 밝혔다.

구씨는 3차원 그물구조의 형상기억형 고분자를 이용해 현재 상용화된 탄소계 음극소재 대비 전기화학적 성능이 뛰어나고 충전용량도 5배 정도 큰 실리콘 음극소재 성능을 개선하는 기술을 개발함으로써 고용량 실리콘 음극판 형성에 응용 가능성을 열었다.

리튬이차전지는 현재 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등 휴대통신기기에 폭넓게 사용되고 있고, 최근에는 하이브리드 전기자동차와 지능형 로봇 등의 동력원뿐만 아니라 태양광, 풍력 발전 등 신재생 에너지용 전력저장 중대형 전지시스템으로 주목받고 있다.

그러나 현재 상용화된 탄소계 음극은 한계용량(372mAh/g)이 낮아 에너지 밀도를 높이는 것이 이슈로 제기되어 왔다. 최근에는 용량 개선을 위해 탄소계 음극보다 약 10배 높은 이론용량(4200mAh/g)을 가진 실리콘 음극소재가 대체재로 떠오르고 있다.

실리콘 음극은 리튬과의 화학적 결합형성으로 전기화학적 충전 반응 동안 400%의 심각한 부피팽창이 일어난다. 이 때문에 전기적 연결이 방해를 받게 돼 반복적인 충방전 싸이클 동안 리튬을 저장하는 능력이 급격하게 저하되는 문제가 있다.

구씨는 3차원 그물구조의 형상기억형 고강도 고분자를 실리콘 음극입자와 물리적․화학적으로 강하게 결합해 부피팽창을 효과적으로 억제하여 실리콘 음극의 전기화학적 성능 및 충전용량을 획기적으로 향상하는데 성공했다.

이번 연구의 부피팽창을 효과적으로 개선한 결과는 배터리 안정성을 높이는데 기여할 것으로 예상한다.

최남순 교수는 “이번 연구에서 개발된 인공 고분자는 많은 전기에너지를 저장할 수 있는 실리콘 음극소재의 상용화를 앞당길 수 있는 중대한 소재기술이라는 점에서 의의가 있다”고 말했다.

구본재씨는 “연구 분야에 대한 이론 이해, 실험의 목적, 결과 분석뿐만 아니라 진로에 대한 많은 것을 지도해주신 최남순 교수님께 감사한다”며 “앞으로 UNIST 대학원에 진학해 실리콘 음극의 부피팽창 문제 해결과 이차전지 전해질 분야에 대해 연구할 것”이라고 밝혔다.

[뉴시스]