국립창원대 손영욱 교수 연구팀의 연구 모습.(사진=국립창원대 제공)

국립창원대학교는 스마트그린공학부 화학공학전공 손영욱 교수 연구팀이 차세대 리튬이온배터리 기술 개발에 중요한 돌파구를 마련했다고 5일 밝혔다.

손영욱 교수 연구팀은 실리콘 함량에 따른 흑연-실리콘 복합 음극의 전극 조건에 따른 물리적 한계를 규명했으며, 이를 최적화하는 방법을 제시했다.

연구팀에 따르면 해당 연구 성과는 배터리 성능을 향상하고, 차세대 고에너지 배터리의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 이번 연구(제목: ‘Physical limitations of electrode conditions for graphite/Si blended anodes toward high-energy Li-ion batteries’)는 국제저명학술지인 ‘JOURNAL OF POWER SOURCES(Impactor factor=8.1, JCR Q1)’에 게재됐다.

현재 리튬이온전지 음극 소재로 사용되는 흑연(graphite)은 안정성이 뛰어나지만, 이론용량 372 mAh/g로 제한적이다. 이에 따라 이론용량이 3579 mAh/g 실리콘이 대체 물질로 주목받고 있지만, 실리콘 음극은 사이클 중 부피 팽창 문제로 인해 전극의 내구성이 저하되는 한계가 있다.

손영욱 교수 연구팀은 흑연-실리콘 복합 음극의 실리콘 함량에 따른 물리적 제약을 분석하고 최적의 전극 로딩 및 밀도를 조사했다.

연구 결과, 실리콘 함량이 증가할수록 음극의 물리적 한계가 낮아지며, 전극 로딩 및 밀도를 조절하는 것이 중요한 변수임을 확인했다. 특히 전극 로딩 및 밀도를 최적화함으로써 기존 흑연 전극 대비 우수한 충·방전 속도 성능을 확보했으며, 실리콘 함량이 증가할수록 전극 저항이 높아지지만, 특정 밀도에서 최적의 성능을 구현할 수 있음을 입증했다.

국립창원대 손영욱 교수는 “리튬이온전지 음극 분야에서 전극 조건 설계에 대한 연구는 상대적으로 미흡한 가운데 이번 연구 결과는 흑연-실리콘 음극의 고로딩화 및 고밀도화에 관한 연구에 중요한 통찰력을 제공할 것으로 기대되며, 앞으로 연구 논문 발표뿐만 아니라 산업에도 실제적인 도움이 되기 위해 최선의 노력을 다할 것”이라고 전했다.

한편 해당 연구는 ‘한국연구재단 기초연구사업’과 ‘지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업’의 지원을 받아 수행됐다.