국민대, 자가치유가 가능한 이차전지용 실리콘 음극 개발

▲ (왼쪽부터) 국민대 도영락·전주원 교수 (사진=국민대)

[에너지경제신문 송기우 에디터] 국민대학교(총장 임홍재) 응용화학부 전주원·도영락 교수팀이 공동으로 다기능성 바인더를 사용해 ‘자가치유가 가능한 실리콘 음극’을 개발했다.

실리콘 음극은 상용적으로 사용되고 있는 흑연보다 저장이론용량이 10배 정도 높은 고용량 음극소재이다. 하지만, 충방전시 부피팽창이 ~300%정도로 커지기 때문에 전극탈리, 실리콘 입자 분쇄, 연속적인 SEI(solid-electrolyte interface) 층 형성으로 인한 전해질 소모 등 싸이클 수명이 짧아지는 문제점이 있다.

이에 연구팀은 스스로 손상된 부위를 치유할 수 있는 자가치유 고분자(PDPP)를 개발하고, 이를 실리콘 음극재 바인더로 이용해 싸이클 안정성이 향상된 실리콘 음극(SiNP-PDPP)을 성공적으로 제조했다. 자가치유 바인더가 사용된 음극은 충방전시 크랙이 거의 관찰되지 않았으며, 250 싸이클 후에 2050 mAh/g에 달하는 저장용량을 가졌으며, 이는 기존 바인더(polyacrylic acid) 대비 향상된 안정성을 보였다.

▲ SiNP-PDPP 표면에 임의로 만든 스크래치가 50 싸이클 후에 자가치유된 SEM 이미지 (자료=국민대)

자가치유 바인더를 이용해 제조된 실리콘 음극(SiNP-PDPP)은 위 그림처럼 충방전시 임의로 만들어진 상처(스크래치)를 스스로 치유할 수 있었으며 이는 소량의(<20wt%) 바인더를 이용하여 실리콘 음극을 배터리 작동조건하에서 자가치유 시킬 수 있다는 것을 의미한다.

또한 연구에서는 세계 최초로 물리화학적인 방벙을 이용하여 실리콘 전극의 자가치유 성능을 정량화하였으며 실리콘 전극이 4시간 동안 전해질과 접촉해 있을 때 52-82 %의 자가치유 효율을 가진다는 것을 실험적으로 보여주었다.

이번 연구 결과는 재료과학, 나노화학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Small(IF 15.153, JCR 상위 6.52%)’에 2023년 3월 1일자로 게재되었으며 연구수행은 한국연구재단(NRF)의 지원으로 이뤄졌다. (논문명: Self-Repairable Silicon Anodes Using a Multifunctional Binder for High-Performance Lithium-Ion Batteries )