[한국기술뉴스] KERI 나노융합연구센터 한중탁 교수 연구팀은 음극 소재의 전기전도도를 향상시키는 실리콘 기반 이차전지용 음극 소재을 개발했다. 개발된 기술은 KERI 산학협력단을 통해 2021년 03월 25일 특허를 출원(출원번호 제1020210039121호)했다. 특허 명칭은 '전처리된 탄소나노튜브를 포함하는 음극 소재용 복합체의 제조방법, 이로부터 제조되는 음극 소재용 복합체 및 이를 포함하는 이차전지’이다. 현재 특허 등록이 완료돼 산업에서 기술을 활용할 수 있도록 기술이전을 추진할 계획이다.

[기자]

리튬이차전지는 납축 배터리에 비해 높은 에너지 밀도를 지니고 있으며, 소형화가 가능하여 스마트폰과 하이브리드 자동차, 전기자동차 등 다양한 전자기기에 활용되고 있습니다.

리튬이차전지의 효율을 높이기 위해 저장용량과 출력, 안정성 및 수명을 높이려는 연구가 지속해서 증가하고 있습니다. 이러한 특성은 일차적으로 음극 소재로 사용되는 음극 활물질에 의해 결정됩니다. 음극 소재로는 흑연이 주로 사용되고 있으며, 이론상 약 372mAh/g의 에너지 저장이 가능합니다. 최근 그 이론용량이 거의 발휘되고 있으며, 저장용량이 흑연보다 높은 음극 소재의 개발이 요구되고 있습니다.

한국전기연구원 한중탁 박사 연구팀은 열처리하지 않아도 환원될 수 있는 산화그래핀과 탄소나노튜브를 이용해 실리콘 기반의 이차전지용 음극 소재를 발명했습니다.

산화그래핀, 실리콘계 입자, 탄소나노튜브 및 용매를 혼합합니다. 이렇게 제조된 혼합용액을 분무 건조기를 이용해 산화그래핀과 단일벽 탄소나노튜브가 균일하게 코팅된 실리콘 합금 복합입자를 제조합니다. 제조된 입자를 공기 중 300℃의 오븐에서 처리하여 환원된 그래핀이 코팅되고 단일벽 탄소나노튜브가 결합된 실리콘 합금 복합입자를 제조하였습니다.

연구팀은 본 발명의 음극 소재를 이용해 샘플 전극을 제조하고 효능을 검증했습니다. 실험 결과 고내열성 그래핀-실리콘-탄소나노튜브 복합체가 적용된 실험군의 경우 충·방전 사이클에 따른 용량 유지율이 월등히 높은 것을 확인했습니다. 또한 초기부터 98.4%의 매우 높은 쿨롱효율을 보이면서 50회 반복 테스트에도 높은 쿨롱효율이 지속되는 것을 확인했습니다.

본 기술을 활용하면 열처리하지 않아도 환원될 수 있는 산화그래핀과 탄소나노튜브를 이용함으로써 실리콘 기반의 이차전지용 음극 소재의 전기전도도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다.