▲ 정훈기 한국과학기술연구원 에너지저장센터 책임연구원이 ‘실리콘 기반 음극재 기술 개발 현황 및 전망’에 대해 발표하고 있다.

리튬이온배터리(전지)의 성능과 수명을 획기적으로 향상시켜 전기차의 주행거리를 늘리고, 높은 성능과 안전성을 발휘할 수 있어 차세대 배터리로 주목받고 있는 전고체 배터리의 상용화를 앞당기기 위해서는 실리콘을 기반으로 한 음극재 기술 개발이 필수적으로 수반돼야 한다는 의견이 제시됐다.

시장조사전문업체 SNE리서치가 3월 21~22일까지 서울 과학기술회관에서 ‘제1회 넥스트 제너레이션 배터리 세미나(NGBS) 튜토리얼 2024'’를 진행, 리튬이온배터리의 기술 개발 방향에 대해 소개 됐다.

정훈기 한국과학기술연구원 에너지저장센터 책임연구원은 ‘실리콘 기반 음극재 기술 개발 현황 및 전망’에 대해 발표했다. 내연기관 자동차와 비교해 전기차는 아직까지 충전 인프라가 부족하고 배터리 충전에 많은 시간이 소요되기 때문에 소비자들은 전기차를 구입하기 전, 주행거리를 가장 많이 고려하고 있다. 이에 제조사 및 연구자들은 주행거리와 충전속도를 향상 시킬 수 있는 기술 개발에 박차를 가하고 있다.

전기차 주행거리를 증대시키는 핵심 기술은 고용량 전극 소재 적용을 통한 배터리 에너지 밀도를 향상 시키는 것이다. 이에 배터리 업계는 주로 양극재 소재인 니켈 함량을 높이는데 초점을 맞춰 왔다. 현재 국내 업체들은 니켈 비중을 90% 이상까지 끌어올리는 기술 개발을 마친 상태며, 양극재 기술 개발로 주행거리를 늘리는데 한계에 부딪혀 배터리 업계는 차세대 음극재 소재 개발 역량을 강화 중이다

차세대 음극재 소재로 주목받고 있는 실리콘은 현재 음극재에 주로 사용되는 흑연보다 에너지 밀도를 10배 정도 높일 수 있다. 보다 적은 음극 물질로 두꺼운 흑연 음극재를 대체하면 배터리 부피도 줄일 수 있고, 전극 두께가 얇아지면 셀의 저항도 줄어들어 출력 향상과 충전시간 단축이 가능하다.

정훈기 박사는 “실리콘을 10wt% 내외 첨가하면 셀 두께를 35%, 40wt% 내외 첨가하면 셀 두께를 절반정도 가까이 감소 시킬 수 있어 1,500mAh/g 이상의 실리콘 음극재 적용 시, 흑연 음극재 대비 셀 에너지 밀도가 1.9배 증가한다”며, “에너지 밀도 증대를 위해 고효율, 고용량 음극재 개발은 필수”라고 설명했다.

리튬이온 배터리를 사용한 전기차의 기계적, 열적 불안전성으로 인한 화재 및 폭발 사고 등으로 인해 안전성 문제가 계속해서 이슈가 되면서 배터리 제조업체 및 자동차 회사에서는 전고체 전지 개발에도 박차를 가하고 있다. 정 박사는 “전해질을 기존 가연성 액체에서 고체로 대체한 전고체 전지는 불연성의 무기 소재를 고체전해질로 사용해 외부 온도 변화 및 충격에 따른 누액 위험이 없고 고전압 양극 적용에도 안정적 구동이 가능하다”고 말했다.

또한 “열적 안정성에 의해 고속 충전이 가능하고 분리막 일체의 고체전해질 막을 사용해 스태킹(Stacking)이 용이해 패키징(Packing) 사이즈를 줄여 에너지 밀도를 높일 수 있다. 리튬 금속을 음극으로 적용하면 에너지 밀도를 최대 70% 증대 시킬수 있다”고 전했다.

기존 배터리의 한계를 극복할 수 있는 전고체 전지지만 소재와 대면적 전지의 기술적 이슈를 해결해야하는 숙제를 안고 있다. 소재별 기술 최적화와 대면적 전지화 기술을 동시에 개발해 전기차용 대면적 전고체 전지를 상용화해야 한다.

정 박사는 “현재 전고체 전지는 셀을 고밀도, 고용량화 시킬 수 있는 방향으로 개발 중이다. 전고체 전지의 전해질로 황화물계가 특히 주목받고 있는데, 황화물계 소재의 수분 불안전성 해결과 대량 생산이 가능한 소재 개발이 필요하다. 특히 높은 안전성과 고성능 이차전지 개발을 위한 전고체 전지용 음극재 개발이 필수적이다”라고 밝혔다.

고용량 음극재에는 대표적으로 리튬 메탈과 고용량의 실리콘, 무음극(Anode-free) 기술이 있다. 리튬 금속은 흑연 대비 우수한 전기화학적 성능을 지녀 높은 에너지 밀도 구현이 가능하며, 실리콘 소재는 높은 실리콘 함량으로 인한 성능 향상, 전하 이동 경로 확보, 효율 개선을 자랑한다. 무음극의 경우 리튬 기반 음극 가공 비용을 줄일 수 있고, 리튬 금속 사용에 따른 위험성을 감소시킬 수 있다.

하지만 리튬 메탈의 경우 부반응 및 전류 집중에 따른 리튬 수지상이 형성됨에 따른 효율 및 수명 저하 문제가 있고, 실리콘의 경우 고용량 적용으로 부피 팽창에 따른 접촉 손실, 낮은 이온 및 전자 전도로 복합체 구성에 따른 성능 차이 발생 등의 이슈가 있다. 무음극은 황화물계의 열악한 환원 안정성으로 집전체 표면에 각종 리튬염 부산물이 석출하고 이로 인한 계면 저항 증가 및 리튬 이온 이동과 확산 거동의 열화가 발생하는 문제점이 있다.

이에 정 박사는 “전고체 전지용 음극재 연구개발은 각 소재 특성과 한계에 따른 고체 전해질과의 화학적·전기화학적 불안전성 및 전극 구조를 고려한 설계가 필요하다”고 설명했다.

특히 실리콘 기반 음극재는 셀에너지 밀도 향상과 고속 충전에 유리해 전세계적으로 개발이 한창이다. 중국의 Honor 업체의 경우, 실제 사용중인 배터리 용량 향상을 위해 실리콘과 탄소 소재를 활용한 실리콘/탄소 배터리를 제조해 당사 스마트폰 모델(Honor Magic 5Pro)에 적용했다. 실리콘/탄소배터리는 3.5V에서 표준배터리에 비해 약 240%의 용량이 남아 에너지 밀도를 흑연 대비 12.8% 향상됐으며, 용량은 5100mAh에서 5450mAh 까지 증가했다.

실리콘계 음극재는 실리콘과 흑연, 비흑연, 탄소 복합체를 활용해 기술개발을 하고 있다. 정 박사는 “한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터에서는 기존 실리콘 기반 음극재 상용화의 기술적 장벽이었던 부피 팽창 문제를 해결하는 방법으로 단단한 다공성 구형 탄소 구조체에 실리콘 나노입자를 내장시킨 음극재를 개발했다”고 전했다.

간단한 수열합성방법이라는 한 번의 공정만으로 단단한 구형의 다공성 탄소 입자 내에 50nm 이하의 실리콘 나노 입자를 캡슐화 및 고정화시켜 내장함으로서 ‘실리콘 내장 탄소 복합 재료’를 구현했다.

정 박사는 “실리콘 내장 탄소 복합재료를 음극재로 이용해, 충·방전 시 실리콘 나노 입자의 부피 팽창을 한정된 공간인 다공성 탄소 입자 기공 내에 일어나도록 유도함으로서 전극의 벗겨짐 현상 또는 부피 팽창을 억제하여 성능 저하를 최소화 시켰다”고 말했다.

실리콘 내장 탄소 복합재료는 반복되는 충·방전을 통해 실리콘 나노 입자의 부피가 팽창하면서 점점 더 작은 크기로 부서져, 다공성 탄소 기공 내에 안정적인 위치로의 재배치가 이뤄지게 해 부피팽창 없이 500회 이상 안정적인 충·방전이 가능하며, 기존 흑연계 음극재의 성능에 비해 4배 가량 상회하는 것을 확인함으로서 배터리의 오랜 수명과 고출력을 구현하는데 성공했다.

마지막으로 정 박사는 “실리콘 음극재 뿐만이 아니라 양극재 소재 또한 안전하게 성능을 발휘할 수 있게 소재 함량을 높이면서 다른 반응들이 잘 조합이 되는 복합적인 연구개발이 필요하다”고 전했다.