부경대 고민성 교수, 전기차 배터리용 고속‧고용량 음극 소재 개발 '주목'

부경대 금속공학과 고민성 교수.

전기자동차 등에 사용되는 리튬이온전지의 용량과 충전 속도를 대폭 높이는 차세대 음극 소재가 개발돼 주목받고 있다.

부경대학교 고민성 교수(금속공학과)는 최근 울산과학기술원(UNIST) 조재필 교수팀과 공동으로 논문 '고 에너지 밀도 및 고속 충‧방전이 가능한 가장자리 활성화 흑연·실리콘 복합체(Fast-charging high-energy lithium-ion batteries via implantation of amorphous silicon nanolayer in edge-plane activated graphite anodes)'를 세계적인 학술지 '네이처' 자매지 '네이처 커뮤니케이션즈' 온라인판에 게재했다고 17일 밝혔다.

고 교수는 이 논문을 통해 기존 리튬이온전지의 음극 소재로 사용되는 흑연보다 충전 속도는 1.5배 빠르고 용량은 50% 증가한 '가장자리 활성화 흑연·실리콘 복합체'를 개발했다.

흑연은 이론적으로 사용 가능한 용량이 낮아 높은 에너지 밀도를 구현할 수 없고, 빠른 속도로 충전할 경우 성능과 안전성이 떨어지는 문제가 있었다.

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'가장자리 활성화 흑연실리콘 복합체' 개발 과정 이미지. [사진=부경대]

고 교수는 이번 연구에서 니켈 촉매환원법으로 흑연의 가장자리를 활성화시켜 고속충전 특성을 크게 향상시키는 한편, 모노 실레인 화학기상 증착법으로 흑연 안팎을 수 나노미터(Nanometer: 1나노미터는 10억분의 1미터) 두께의 비정질 실리콘으로 균일하게 코팅해 에너지 밀도를 극대화시키고, 흑연질탄소 보호막 코팅으로 전지의 안정성까지 높이는 등 원천 기술을 확보했다.

이렇게 개발된 '가장자리 활성화 흑연·실리콘 복합체'는 배터리 충전 및 방전 시 리튬 이온과의 반응 속도는 크게 높이고 전자 전달과 리튬이온의 이동거리는 감소시켜 배터리의 고속 충전 특성을 크게 증가시키는 것으로 나타났다.

고 교수는 "최근 주목받는 전기자동차가 상용화되기 위해서는 고속충전이 가능한 고용량 이차전지 개발이 필수적"이라면서 "이번에 개발된 음극 소재는 앞으로 전기자동차는 물론 중대형 에너지저장장치 등에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 전했다.