우리 대학교 이정규(화학공학) 교수 연구팀이 에너지 밀도가 높고 수명이 크게 향상된 실리콘 소재 기반의 고용량 리튬 2차전지 시스템을 개발했다.
전기자동차에 사용되고 있는 기존 리튬 2차전지의 에너지밀도는 약 150Wh/kg이며, 주행거리는 160km 정도로 알려져 있다. 반면 이정규 교수팀이 개발한 시스템을 사용하면 리튬 2차전지의 에너지밀도는 240~270Wh/kg로 향상된다. 이를 전기자동차에 적용할 경우 한 번 충전으로 최대 300km까지 주행할 수 있다. 이 시스템이 상용화되면 핸드폰, 노트북 등의 휴대용 전자기기의 경량화 또는 1회 충전 시 사용시간 연장이 가능하며, 나아가 발전소 부하 조절, 신재생에너지(태양광 및 풍력 발전) 저장 등의 대규모 에너지 저장 시스템(ESS)에 적용이 가능하다.
이정규 교수 연구팀의 고용량 리튬 2차전지 시스템은 이번에 개발한 '실리콘 기반 음극소재'와 지난 2012년 한양대 에너지공학과 선양국 교수팀이 개발한 '니켈(Ni) 함량이 높은 양극소재'를 이용하여 실제 리튬 2차전지를 제작했다. 기존 리튬 2차전지에 비해 에너지밀도가 2배가량 높고, 수천 번 충전이 가능하다. 미래창조과학부 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 진행된 이번 연구 결과는 화학 및 재료 분야에서 권위 있는 학술지인 'Advanced Functional Materials' 2월호 온라인 판에 게재됐다.
실리콘 소재는 충전 시 리튬과의 전기화학 반응 과정에서 큰 부피팽창에 의한 균열로 구조 붕괴가 발생해 용량 감소가 매우 빨리 진행되는 단점이 있었다. 이에 주목한 연구팀은 실리콘·탄소 나노복합체 내부에 소량의 그래핀을 균일하게 분산시켜 부피팽창을 흡수하면서 전도성 네트워크가 유지되는 효과로 리튬 2차전지의 수명을 획기적으로 늘렸다.
이정규 교수는 "성실히 연구에 임해준 대학원생들의 노력 덕분에 성과를 얻을 수 있었다"며 "이번 연구를 통해 개발된 '실리콘 기반 음극소재'에 대한 개선연구를 지속하여 에너지밀도가 높은 2차전지 상용화를 위해 노력할 것"이라고 말했다.
※리튬 2차전지란?
1991년 일본의 소니사가 상용화해 대량생산을 실시한 이후 세계시장에서 매년 10% 이상 그 규모가 성장하고 있다. 한 번 충전 후 일정시간 뒤 방전되면 버려야 했던 1차전지에 비해 충전이 가능하고, 가볍고 기전력이 커 관리가 쉽다는 장점을 가지고 있어 차세대 성장 동력으로 주목받고 있다. 현재 우리나라는 리튬 2차전지 세계 생산량 1위지만, 중국, 일본 등 여러 국가가 시장지배력을 점차 넓히고 있어 국가 간의 경쟁이 치열하다.
