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전고체 배터리는 용량이 커 리튬이온 배터리를 대체할 유망한 소재로 꼽히지만 여전히 약점지녀

실리콘이 전고체 배터리(solid state battery)를 더 좋게 만들 수 있을까?
새로운 분석은 실리콘 양극의 장점과 약점을 보여준다.

전고체 배터리는 용량이 커 리튬이온 배터리를 대체할 유망한 소재로 꼽히지만 여전히 약점을 안고 있다. 이것이 바로 연구자들이 이러한 배터리에 금속 리튬 대신 실리콘으로 만든 양극을 사용하는 것의 장점과 이것이 문제를 일으키는 이유를 조사한 이유다. 그들의 연구 결과는 고체 배터리용 실리콘 양극을 개선하여 보다 강력한 배터리를 개발하기 위한 새로운 접근 방식을 제공한다.

▲ X선 회절을 이용한 전고체전지의 조사. © Rolf K. Wegst / 기센대학교, CC-by 4.0

*전고체 전지solid-state battery: 리튬이온이 이동하는 전해질을 고체로 만든 배터리. 배터리 양극과 음극 사이의 전해질이 고체로 된 2차전지로, 에너지 밀도가 높으며 대용량 구현이 가능하다. 또 전해질이 불연성 고체이기 때문에 발화 가능성이 낮아 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 꼽힌다. [네이버 지식백과] 전고체 배터리 (시사상식사전, pmg 지식엔진연구소)

실리콘이 없었다면 오늘날 우리의 일상은 완전히 달라졌을 것이다. 기적의 원소는 마이크로칩이나 태양전지에만 사용되는 것이 아니라 윤활유, 베이킹 금형, 화장품에서도 찾아볼 수 있다. 그리고 실리콘은 또 다른 임무도 수행할 수 있다. 예를 들어 리튬 이온 배터리의 흑연 대체재로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 리튬 금속 배터리와 같은 전고체 배터리에서도 이 요소를 배터리의 양극 재료로 사용할 수 있다. 그 이유는 재료의 이론적 비용량(比容量:단위 무게나 단위 부피당 전지의 용량)이 높고 수상돌기(배터리 내부를 파괴하는 바늘 모양 침전물) 형성 위험이 낮기 때문이다.

"플랫" 및 성능 저하

그러나 실리콘 양극의 실제 사용에는 몇 가지 문제점이 있다. 이론상 실리콘은 높은 비용량을 갖고 있지만 실리콘 양극의 실제 비용량은 여전히 ​​상대적으로 낮다. 또한, 주장된 슈퍼애노드의 성능은 반복 사용 후 매우 빠르게 저하된다.

또 다른 문제는 전고체 배터리 충전 과정에서 리튬이 양극에 흡수된다는 점이다. "양극 위의 실리콘은 수백 퍼센트까지 팽창하는데, 이는 고체 배터리에 중대한 기계적 문제를 일으킨다"고 기센 대학의 수석 저자인 Jurgen Janek이 설명한다. "게다가 선호하는 고체 전해질은 저장된 리튬과 반응하여 용량 손실도 초래한다.“

테스트에서 두 가지 유형의 실리콘 양극을 사용한 전고체 배터리

주저자인 기센대학교(University of Giessen)의 Janek과 그들의 팀은 이제 이러한 프로세스 뒤에 정확히 무엇이 있는지, 그리고 배터리의 전고체 전해질이 어떤 역할을 하는지 더 자세히 조사했다. “이 포괄적이고 근본적인 분석은 현재 국제적으로 집중적으로 연구되고 있는 전고체 배터리의 전극 재료로서 실리콘의 사용 가능성을 향한 중요한 단계다”고 Janek은 강조했다.

이를 위해 연구진은 실리콘과 일반 고체 전해질(LPSCl 양극)의 화합물로 구성된 양극과 순수 실리콘 양극이라는 두 가지 유형의 실리콘 양극을 조사했다. 전극을 공통 양극 및 분리막과 결합해 전지 셀을 형성하고, 100회 충방전을 실시했다. 연구팀은 무엇보다도 광전자 분광학을 사용하여 양극과 경계층에서 무슨 일이 일어나는지 관찰했다.

인터페이스, 전류 전송 및 확장

테스트 결과는 다음과 같다. 여러 번의 충방전 주기 후에 순수 실리콘 양극보다 LPSCI 복합 양극의 전해질과의 경계면에 상당히 두꺼운 침전물이 형성됐다. Huo와 그의 동료들은 “계면에서 이 층의 성장은 복합 양극의 저항을 증가시킨다”고 보고했다. 그들은 LPSCI 양극에 포함된 전해질이 분해되어 양극에 두꺼운 이끼 같은 경계층을 형성하는 것이 주된 이유라고 생각한다.

두 번째 발견은 순수 실리콘 양극이 복합 양극보다 훨씬 더 높은 용량을 보여주었다. 즉, 양극 재료의 그램당 2,600mA(밀리암페어)에 비해 그램당 3,400mA의 용량을 나타냈다. 따라서 잠재적으로 높은 배터리 성능을 가능하게 한다. 그러나 이러한 유형의 양극에도 문제가 있다. 복합 양극보다 충전 과정에서 더 많이 팽창한다. 결과적인 공동으로 인해 이러한 양극의 접촉 표면은 더 큰 기계적 응력에 노출되며 이로 인해 서비스 수명이 단축됩니다. 그러나 초기 테스트에서는 실리콘 양극에서 이러한 기계적 응력을 줄일 수 있는 것으로 나타났다. "폴리프로필렌 카보네이트(PPC)로 얇은 코팅은 인터페이스의 저하를 억제할 수 있을 뿐만 아니라 기계적 응력도 감소시킨다"고 과학자들은 보고했다.

최적화를 위한 새로운 접근 방식

Huo와 그의 동료에 따르면, 그들의 결과는 고체 배터리의 실리콘 양극에서 발생하는 프로세스에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다. 또한 기존 문제를 해결하기 시작할 수 있는 위치도 보여준다. Janek은 “우리의 결과는 실리콘 양극이 고체 배터리에 사용할 수 있는 상당한 잠재력을 가지고 있으며, 발생하는 인터페이스에 대한 영리한 조정을 통해 활용될 수 있음을 보여준다”고 요약했다.

실리콘 양극을 사용하는 전고체 배터리는 리튬 금속 양극을 사용하는 전고체 배터리와 유사하게 높은 에너지 밀도를 갖기 때문에 이러한 문제를 해결하는 것은 가치가 있을 수 있다. 실리콘은 리튬과 달리 리튬-금속 핵생성을 일으키지 않고, 가격이 저렴하고 매우 안정적이기 때문에 여전히 많은 잠재력을 지닌 음극 소재로 남아 있다.
(Nature Materials, 2024; doi: 10.1038/s41563-023-01792-x)
출처: Universität Gießen / 기센대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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