나노기술 및 정책 정보

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● 광주과학기술원의 김형진 교수, 한국에너지기술연구원의 우중제 박사 공동연구팀이 그래핀 산화물과 금속 산화물을 완성된 실리콘 음극에 적용하여 안정성을 크게 개선할 수 있는 후공정을 개발

● 현재 실리콘 음극은 기존의 흑연 음극보다 동일한 부피에서 최대 10배 더 많은 전기를 저장할 수 있어 차세대 음극으로 평가되지만, 방전 시 이전과 같은 형태로 돌아오진 않아 배터리의 안정성에 위협이 되어 상용화에 걸림돌이 되는 상황

● 이에 연구팀은 실리콘의 불안정성을 해결하고자 열처리를 통해 다공성의 특징을 띠게 한 실리콘 음극 상에 그래핀 산화물을 용액 공정으로 도포하고 진공 증착법을 통해 금속 산화물 박막을 코팅

● 그래핀 산화물은 충‧방전 과정 중에서 실리콘 입자와 응집되면서 전자 전도를 향상시키는 다리 역할을 수행하는 한편, 실리콘 입자의 부피 팽창을 억제하는 완충제 역할을 수행

● 여기에 전해질과의 부반응과 전극의 구조적 안정성을 확보하기 위해 안정한 특성의 금속 산화물 박막을 전극에 증착하여 높은 안정성을 확보

● 후공정을 통해 연구팀이 개발한 실리콘 전극은 기존 실리콘 전극 수명의 7배에 해당하는 150회 충‧방전 시험에 성공하였고, 기존 실리콘 전극이 20회 동작에서 37%의 저조한 용량 유지율(150회, 1.3%)을 나타내었지만 해당 연구를 통해 개발한 전극은 150회 동작에서도 93%를 달성

● 특히, 해당 연구는 그래핀 산화물이 충‧방전 과정에서 실리콘 입자와 전기화학적 응집을 통해 실리콘-탄소 복합체를 자연적으로 형성하여 실리콘의 안정성 개선에 기여하는 현상을 처음으로 규명

※ Journal of Materials Chemistry A 게재(2022.03.21.), “Viable post-electrode-engineering for the complete integrity of large-volume-change lithium-ion battery anodes”

※ 지스트 연구원(GRI), 한국에너지기술연구원 사업 지원