상용화 배터리용 실리콘 양극재 잠재력 발굴

Sep 02, 2023

2023년 8월 31일

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작성자: 허주현, 울산과학기술원

조재필 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수는 네이처 에너지(Nature Energy)에 게재된 리뷰에서 상용화된 배터리에 적용 가능한 실리콘 양극재를 평가하기 위한 분석 프로토콜을 제시했다. 이 연구에서는 2차 전지 부품으로서 큰 관심을 받고 있는 실리콘 양극 재료를 둘러싼 특성과 과제를 심층적으로 조사합니다.

실리콘은 탁월한 중량 측정 용량으로 인해 고에너지 리튬 이온 배터리에서 기존 흑연 양극에 대한 유망한 대안으로 부상했습니다. 그러나 사이클링 중 심각한 부피 팽창과 같은 본질적인 문제로 인해 배터리 개발에서 Si 양극의 광범위한 사용이 방해를 받았습니다. 실험실에서는 이러한 문제를 해결하는 데 엄청난 진전을 이루었지만 Si 양극이 Si 아산화물 또는 Si-C 복합재로 구성된 업계에서 사용되는 대부분의 Si 함유 배터리에는 제한된 양의 실리콘만 통합할 수 있습니다.

연구팀의 종합적인 분석은 실리콘 함유 배터리의 실제 에너지 밀도에 영향을 미치는 중요한 요소를 탐구합니다. 실제 셀 설계에 큰 영향을 미치는 모든 필수 측면인 달력 수명, 안전 문제 및 비용 영향을 고려하면서 셀 작동 중 전극 팽창 및 차단 전압과 같은 현상을 조사합니다.

또한, 이 논문에서는 새로 개발된 실리콘 양극의 타당성과 실행 가능성을 평가하기 위한 테스트 프로토콜을 제안합니다. 이러한 프로토콜은 이러한 고급 소재를 상업용 배터리 응용 분야에 통합할 때 최적의 성능, 효율성, 내구성 및 안전성을 보장하는 데 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.

조 교수팀이 강조한 핵심 발견 중 하나는 실리콘 입자의 크기를 5nm 미만으로 줄이면서 이를 전도성 탄소 입자 내에 균일하게 분산시키는 것이 기존 한계를 극복할 수 있는 큰 가능성을 갖는다는 것입니다. 연구원들이 보고한 최근 발전에는 입자 크기를 1nm 미만으로 줄일 수 있는 합성 기술인 가스 증착을 통해 탄소 복합 입자에 원료를 증착하는 것이 포함되었습니다. 이 혁신적인 접근 방식은 수명 특성이 크게 향상되면서 90%가 넘는 초기 효율성을 입증했습니다.

조 교수는 “현재 실리콘 음극재 전문학술지에 보고된 평가 방법은 다소 제한적이어서 상업성을 판단하기 어렵다”고 말했다. 제안된 분석 프로토콜은 이러한 격차를 해소하고 상용 배터리에서 이러한 재료의 실제 잠재력을 평가하기 위한 포괄적인 프레임워크를 제공하는 것을 목표로 합니다.