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고분자공학과 이동윤 교수팀, 무분산제형 질소 도핑-나노카본소재를 활용한 리튬이온전지용 고성능 실리콘 음극재 개발
- 2024-08-29 11:45
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고분자공학과 이동윤 교수팀과 한국전기연구원 공동연구팀은 차세대 이차전지로 각광받고 있는 실리콘 기반 음극재와 도전재인 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 그래핀 (graphene)에 질소 도핑을 통하여 고성능, 고안정성 음극재의 제조 기술을 개발하였다.
실리콘 음극 소재는 기존에 사용되던 흑연 보다 에너지 밀도가 약 10배 이상 높아 차세대 리튬이온전지 음극재로 각광받고 있지만, 지속적인 충·방전시 부피가 3~4배 팽창하며 실리콘 입자가 쉽게 부서져 전극의 안정성이 크게 떨어진다.
공동연구팀은 이러한 실리콘의 팽창 문제점에 집중하여 유망한 신소재인 탄소나노소재로 해결하고자 하였다. 오랫동안 축적해온 나노융합 기술을 바탕으로, 밀가루를 반죽하는 방식과 유사하게 하여 단일벽 탄소나노튜브를 획기적으로 분산하는 기술을 세계 최초로 개발하였다. 해당 기술을 활용하여 질소를 도핑하고 리튬 친화 성질(lithiophilic)을 활용하여 전기화학적으로 안정성을 높였다. 질소도핑 단일벽 탄소나노튜브를 적용하여 리튬이온이 실리콘으로 이동하는 속도를 높여 충·방전 사이클 안정성을 향상시켰다. 이에 더해 실리콘 외부에 우수전 전기 전도성 및 기계적 강도를 지니는 그래핀을 도입, 실리콘의 부피팽창을 억제하여 안정성을 확보하였다.
공동연구팀이 개발한 실리콘-탄소나노소재 복합음극재는 가장 중요한 수명특성에서 82.3%, 30.3% (100cycle 기준)로써 극명한 차이를 보여주었으며, 많은 연구진들이 진행중인 흑연-실리콘 복합전극에서도 우수한 수명특성과 높은 에너지 밀도를 보여줄 것으로 기대하고 있다.
이번 연구는 국가과학기술연구회 및 한국전기연구원 연구사업의 지원을 받아 수행되었으며, 제1저자는 고분자공학과 이도근 박사과정생, 교신저자는 이동윤 교수와 한국전기연구원 한중탁 박사이다.
연구결과는 재료공학 분야 국제 저명 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 (Advanced Functional Materials, IF=19, JCR 상위 3.7%)’에 게재되었다.
<사진 왼쪽부터 이동윤 교수, 이도근 박사과정생>
실리콘 음극 소재는 기존에 사용되던 흑연 보다 에너지 밀도가 약 10배 이상 높아 차세대 리튬이온전지 음극재로 각광받고 있지만, 지속적인 충·방전시 부피가 3~4배 팽창하며 실리콘 입자가 쉽게 부서져 전극의 안정성이 크게 떨어진다.
공동연구팀은 이러한 실리콘의 팽창 문제점에 집중하여 유망한 신소재인 탄소나노소재로 해결하고자 하였다. 오랫동안 축적해온 나노융합 기술을 바탕으로, 밀가루를 반죽하는 방식과 유사하게 하여 단일벽 탄소나노튜브를 획기적으로 분산하는 기술을 세계 최초로 개발하였다. 해당 기술을 활용하여 질소를 도핑하고 리튬 친화 성질(lithiophilic)을 활용하여 전기화학적으로 안정성을 높였다. 질소도핑 단일벽 탄소나노튜브를 적용하여 리튬이온이 실리콘으로 이동하는 속도를 높여 충·방전 사이클 안정성을 향상시켰다. 이에 더해 실리콘 외부에 우수전 전기 전도성 및 기계적 강도를 지니는 그래핀을 도입, 실리콘의 부피팽창을 억제하여 안정성을 확보하였다.
공동연구팀이 개발한 실리콘-탄소나노소재 복합음극재는 가장 중요한 수명특성에서 82.3%, 30.3% (100cycle 기준)로써 극명한 차이를 보여주었으며, 많은 연구진들이 진행중인 흑연-실리콘 복합전극에서도 우수한 수명특성과 높은 에너지 밀도를 보여줄 것으로 기대하고 있다.
이번 연구는 국가과학기술연구회 및 한국전기연구원 연구사업의 지원을 받아 수행되었으며, 제1저자는 고분자공학과 이도근 박사과정생, 교신저자는 이동윤 교수와 한국전기연구원 한중탁 박사이다.
연구결과는 재료공학 분야 국제 저명 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 (Advanced Functional Materials, IF=19, JCR 상위 3.7%)’에 게재되었다.
<사진 왼쪽부터 이동윤 교수, 이도근 박사과정생>