연세대-LG에너지솔루션, 차세대 배터리 소재 ‘실리콘 음극재’ 난제 해결

실리콘 음극재 충·방전 중 ‘부피 팽창’
분리막 등 다른 소재 조합 통해 해결
연구진 “새로운 접근법으로 의미있어”

연세대 화공생명공학과 이상영·이용민 교수팀 연구진. 왼쪽부터 연세대 서지영 연구원, 김중휘 연구원, 대구경북과학기술원(DGIST) 김수환 연구원, 연세대 이용민 교수, 이상영 교수. [사진제공=연세대]

연세대학교는 LG에너지솔루션과의 공동연구를 통해 차세대 배터리 시장의 핵심 기술로 평가받는 ‘실리콘 음극재’ 분야에서 혁신기술 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.

연세대 화공생명공학과 이상영·이용민 교수팀은 LG에너지솔루션과의 공동 연구를 수행했다.

실리콘 음극재는 충·방전 중 부피가 팽창하는 기술적 난제가 있었는데, 이번 연구를 통해 이같은 문제를 해결할 실마리를 찾았다고 연구진은 밝혔다.

실리콘은 현재 음극재 시장에서 대표적인 차세대 소재로 주목받고 있다.

현재 널리 쓰이고 있는 음극재 소재인 흑연과 비교했을 때 에너지 밀도를 기존 대비 10배 이상 향상시켜 전기차의 주행거리를 늘리는 데 유리하다.

급속 충전 설계도 가능하며 경제성·친환경성이 높다는 점도 장점이다.

다만 배터리 충·방전 중 부피 팽창이 이뤄져 실제 적용에는 어려움이 많았다.

부피 변화에 따라 셀 구조가 붕괴되거나 분리막에 악영향을 미쳐 배터리의 수명과 용량 확보에 한계가 있었다.

연세대-LG에너지솔루션 연구팀은 무기물 기반의 고강도 분리막을 설계하는 등의 방식으로 문제 해결 방안을 찾았다.

기존에는 실리콘 음극 소재를 개선해 퇴화현상을 개선하려고 하였으나, 분리막 등 다른 소재의 조합을 통해 문제해결을 했다는 점에서 의미가 있다.

연구팀은 “이 같은 개선된 소재 기술이 적용된 배터리는 고속 충·방전을 400사이클 진행한 후에도 88% 이상의 우수한 용량 유지율을 보였다”고 말했다.

연세대 이상영 교수는 “실리콘 음극재의 수명 문제를 해결하기 위해 소재 자체를 넘어 배터리 시스템 전반을 바라보는 새 접근법을 제시했다는 점”이라며 “향후 배터리 연구 개발에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다”고 말했다.

김제영 LG에너지솔루션 CTO는 “앞으로도 적극적인 오픈 이노베이션 전략을 통해 차세대 배터리 분야에서도 차별화된 기술력으로 세계 시장을 선도해 나갈 예정”이라며 “이를 바탕으로 제품 포트폴리오 다양화와 고객가치를 창출하는데 최선을 다할 것” 말했다.

이 연구 성과는 최근 전 세계 최고 권위의 과학 저널 중 하나인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 ‘실리콘 음극 열화에 의한 리튬이차전지 분리막의 기계적 손상’이라는 제목으로 게재됐다.

한편, LG에너지솔루션은 차별화된 배터리 기술력을 보유하고 있는 스타트업을 발굴해 지원하는 ‘배터리 챌린지’, 국내외 유수 대학 및 연구기관과 협력의 장을 여는 ‘산학협력 콘퍼런스’ 등 다양한 이노베이션 활동을 통해 배터리 분야의 도전 과제들을 해결하고 있다.