우리대학 에너지신소재공학과 김현석 교수 연구팀은 한국화학연구원 이상진 박사 연구팀, 울산대 정지원 교수 연구팀과의 공동 연구로 실리콘 산화물(SiOx), 탄소 나노튜브(CNT), 테프론(PTFE)이 혼합된 하이브리드 단일 타겟(이하 ‘SiOx-CNT-PTFE 하이브리드 단일 타겟’)을 사용해 박막 전극을 제조했다.
리튬이온 배터리 소재로는 현재 흑연이 상용되고 있지만, 흑연은 에너지 밀도가 제한된다는 단점을 가지고 있다. 높은 용량과 장기 수명을 가진 음극 소재 개발이 요구되고 있으며, 최근 흑연의 대체제로 실리콘 기반 음극 소재에 대한 연구가 진행되고 있다. 실리콘 기반 음극 소재는 높은 이론 용량과 낮은 전기화학적 전위 특성이라는 장점을 가지고 있지만, 리튬과 반응하면 급격한 부피 변화와 전극 열화에 의한 손상이 발생한다는 단점이 있다.
김현석 연구팀이 개발한 SiOx-CNT-PTFE 하이브리드 단일 타겟은 기존에 사용된 단일 소재로 이뤄진 타겟과 달리 실리콘의 부피팽창을 억제하는 유기물 기반 완충 소재가 혼합돼 부피 변화를 최소화한다. 새로운 형태의 박막 전극은 충전과 방전 과정에서 발생하는 실리콘 소재의 부피팽창에 따른 활성물질의 손실을 줄여 수명 특성을 향상시킨다. 또한 실리콘 산화물(SiOX) 함량을 조절함으로써 음극활물질의 성능을 최적화한다.
김현석 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 실리콘 산화물 기반 음극 소재의 수명을 향상시키는 데 성공했으며, 연구 성과는 박막형 리튬이온 배터리 연구와 차세대 배터리 산업에 영향을 미칠 것으로 기대된다. 김현석 교수는 “실리콘 산화물 기반 음극 소재는 흑연을 대체할 특성을 지니고 있음에도 장기 수명 특성이 부족해 박막형 리튬이온 배터리 소재로 적용하기가 힘들었다”며 “이번 연구로 인해 수명 특성을 향상시키는데 성공했으며 박막형 리튬이온 배터리 연구에 유의미한 방법을 제시하여 향후 차세대 배터리 산업에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다”라고 소감을 전했다.
해당 연구는 한국연구재단, 국가과학기술연구회, 한국화학연구원, 나노종합기술원 및 한국산업기술기획평가원의 지원으로 수행됐으며, 올해 1월 학술지 「Advanced Materials」에 <Analogous Design of a Microlayered Silicon Oxide-Based Electrode to the General Electrode Structure for Thin-Film Lithium-Ion Batteries>라는 제목으로 게재됐다.