고려대, 상온서 발생하는 ‘실리콘계 음극 열화’ 메커니즘 규명

[인더스트리뉴스 서영길 기자] 고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀은 중앙대학교 문장혁 교수 연구팀과 함께 상온 구동 시 리튬이온전지의 실리콘계 음극에서 발생하는 갑작스러운 성능 저하의 원인을 규명했다고 18일 밝혔다.

이번 연구 성과는 에너지 소재 분야의 국제 학술지 ‘Advanced Energy Materials (IF=26.0)’ 온라인에 지난 3일 게재됐다.

논문명은 Origins of Abrupt Capacity Degradation in Lithium-Ion Batteries with Silicon-Based Anodes이다.

연구팀에 따르면 최근 전기차 시장의 확대로 더 높은 성능의 리튬이온전지가 요구되면서, 기존 흑연을 대신할 차세대 음극 소재 연구가 활발하다.

그중 실리콘 산화물(SiO)은 높은 용량과 부피 팽창 완화 효과로 주목받지만, 장기간 사용 시 안정성이 낮다는 한계가 있어 왔다.

이에 연구팀은 장기간 구동 실험을 통해 상온(25℃)에서 빠른 속도로 충·방전을 반복하면 흑연/SiO 음극에서 갑작스러운 용량 저하가 발생한다는 사실을 밝혀냈다.

반면 고온(50℃)이나 느린 속도의 충·방전 조건에서는 이러한 문제가 나타나지 않았다.

연구팀은 그 원인이 리튬 농도 차이에서 비롯된 확산 유도 응력(diffusion-induced stress)임을 확인했다.

상온에서는 리튬 확산이 느려 입자 내부와 표면의 농도 차이가 커지고, 그 결과 입자 표면에 균열이 생긴다. 균열은 전해질 분해를 촉진해 리튬 이동을 막는 두꺼운 막을 만들고, 이 과정이 반복되면서 성능이 빠르게 떨어진다는 것이 연구팀의 설명이다.

결국 실리콘 산화물은 ‘SiO-SEI 크러스트’라는 두꺼운 비활성층을 형성하며 기능을 잃게 된다는 것이다.

아울러 연구팀은 충·방전 사이에 잠시 쉬는 ‘이완 단계(relaxation step)’를 거치면 리튬 농도 차이가 완화돼 급격한 용량 저하를 억제할 수 있음도 입증했다. 이는 확산 유도 응력이 실리콘 음극 성능 저하의 핵심 원인임을 보여주는 결과라는 설명이다.

유승호 고려대 교수는 “이번 연구는 실리콘 음극의 열화 과정을 근본적으로 규명해 장수명 고에너지 전지를 설계하는 데 중요한 단서를 제공한다”며 “향후 실리콘 기반 리튬이온전지 상용화에 크게 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 원천기술국제협력개발사업(이차전지 국제공동연구) 및 LG에너지솔루션의 지원으로 수행됐다.