경상국립대(총장 권진회)는 성재경 교수 연구팀이 전고체전지에 쓴 마이크로 실리콘 음극이 기존 액체전해질 리튬이온전지보다 수명과 고율(고속 충·방전) 성능에서 앞선다는 사실을 규명했다고 밝혔다.

연구팀은 같은 마이크로 실리콘 음극을 액체전해질 리튬이온전지와 황화물계 전고체전지에 각각 넣어, 두 전지의 성능과 계면 열화 과정을 비교했다. 성재경 교수는 공과대학 신소재공학부(나노신소재융합공학과) 소속이다. 이번 연구 결과는 국제학술지 《어드밴스드 사이언스(Advanced Science)》(IF 14.1, JCR 상위 7.6%)에 7월 3일 자로 실렸다.

전기차·로봇·드론·자율주행처럼 고성능 배터리가 필요한 산업이 커지면서, 기존 리튬이온전지를 뛰어넘는 차세대 배터리 수요도 늘고 있다. 실리콘 음극은 흑연 음극보다 용량이 훨씬 커 차세대 소재로 꼽힌다. 그러나 충·방전을 거듭하면 부피가 크게 변해 입자가 부서지고, 전극 표면에 생기는 막(고체전해질계면·SEI)이 불안정하게 반복 생성돼 수명이 짧아지는 것이 문제였다.

대안으로 전해질을 모두 고체로 바꾼 전고체전지가 주목받았다. 하지만 전고체 실리콘 음극이 상용 액체전해질 전지를 실제로 넘어설 수 있는지, 전지 안에서 계면이 어떻게 나빠지는지는 그동안 분명치 않았다.
 
연구팀 분석 결과, 액체전해질 전지에서는 전해질이 전극 속으로 스며들어 실리콘 입자가 부서지고 SEI가 불안정하게 다시 생기는 일이 반복됐다. 이 때문에 전극이 부풀고 저항이 커지면서 수명이 떨어졌다. 반면 전고체전지에서는 실리콘이 끊김 없는 얇은 막(Li–Si) 형태로 바뀌었고, 계면 반응도 고체전해질과 실리콘이 맞닿는 좁은 영역에만 머물렀다.

그 결과 실리콘 음극을 쓴 전고체전지는 상용 액체 기반 전지보다 수명이 오래가고 고율 성능도 안정적이었다. 전고체 방식이 실리콘 음극의 고질적인 입자 파쇄와 SEI 반복 생성을 눌러준다는 사실을 보여준 것이다.

제1저자 나노신소재융합공학과 석박사통합과정 김석진 씨는 “전고체전지 속 실리콘 음극이 액체전해질 방식의 한계를 넘을 수 있는지 판단하려면, 단순 성능 비교를 넘어 계면에서 무슨 일이 일어나고 전극 구조가 어떻게 바뀌는지를 정확히 봐야 한다는 생각으로 실험을 시작했다”라며 “고에너지 밀도 전고체전지용 실리콘 음극을 설계하는 데 필요한 방향을 제시했다는 점에서 의미가 있다”라고 말했다.

*논문명: 고체전해질과 액체전해질 환경에서 마이크로 실리콘 음극의 계면 열화 메커니즘(Interfacial Degradation Electrochemistry of Micro-Silicon Anodes in Solid-State and Liquid Electrolytes)