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고에너지 리튬이온전지를 위한 나노구조 실리콘 애노드 설계

전문가 제언: ○ 휴대 전자기기용 2차 전지의 수요가 증가하고 있고 장차 전기자동차나 대용량 데이터 저장장치가 일반화 되면 그 수요가 폭발적으로 증가할 것이다. 특히 전기자동차용 전지는 보다 큰 전력 및 에너지 밀도, 긴 수명, 짧은 충전 시간을 필요로 한다. 이에 대응하여 고성능 리튬이온전지에 대한 관심이 증가하고 있다.

○ 리튬이온전지의 성능은 주로 리튬 저장을 위한 전극, 특히 애노드의 재료 및 구조적 특성에 의존한다. 실리콘은 전통적인 탄소에 비해 유효용량이 3배 정도 높아 애노드 재료로 유망하나 반복 사용에 따른 리튬의 삽입/탈리에 의한 부피의 변화가 걸림돌이 되어왔다. 본고에서는 부피변화에 관한 세 가지의 기본적인 문제와 이를 해결하기 위한 나노구조 재료 설계를 제시하고 있다.

○ 우리나라는 1999년에 2차 전지 산업에 진출하였으며, 2011년을 기준으로 제조기술 및 시장점유율은 20년 정도 1위를 유지해온 일본과 대등한 수준에 도달했다. 그러나 핵심 원천기술은 일본, 미국, 독일에 비해 상당히 취약하며, 리튬이온전지의 4대 핵심 소재(양극재, 음극재, 분리막, 전해질)의 시장점유율은 20.6%로 일본 46.6%, 중국 23.9%에 이어 3위에 머물렀다. 특히 양극재와 음극재의 국산화율은 각각 20%와 0% 수준으로 저조하다.

○ 중대형 리튬전지의 핵심 전극재료 기술 개발을 목표로 2010년 WPM 고성능이차전지소재사업단이 발족되었으며 35개 산학연이 참여하고 있다. 전자부품연구원 차세대전지연구센터는 2004년부터 차세대 이차전지, 슈퍼커패시터, 금속공기전지 등을 연구하고 있다. 2011년 울산과학기술대 차세대전지기술융합연구단은 고용량 실리콘 물질의 대량 합성기술을 개발하였고 2012년 한국기초과학지원연구원은 리튬이온전지의 충전 시 실리콘 애노드 재료의 부피팽창 원인을 이론적으로 정량화하였다. 최근 일진전기, 엠케이전자, 대주전자재료, OCI 등이 실리콘 애노드 재료 개발을 추진하고 있다. 연구 개발이 원활히 진행되어 핵심 소재를 포함한 차세대 전지 기술 및 시장을 선도할 수 있기를 기대한다.

저자: Hui Wu, Yi Cui
자료유형: 학술정보