인하대학교(총장 조명우)는 화학과 김민규 교수 연구팀이 최근 포항공과대학교 강병우 교수 연구팀과 함께 전기차의 고효율·장수명을 위한 메커니즘을 발표했다고 12일 밝혔다.

공동 연구팀은 실리콘 산화물계(SiO) 음극재를 구성하고 있는 요소 중 하나인 비정질 이산화규소(SiO2) 매트릭스의 미세구조를 제어할 때 전기차 고효율과 장수명 특성을 동시에 달성할 수 있음을 확인했다. 

최근 테슬라(Tesla)를 필두로 세계적으로 전기차 시장이 빠르게 성장하고 있다. 전기차는 기존 내연기관 자동차와 달리 이차전지의 동력만으로 자동차를 움직이기 때문에 이차전지 성능이 곧 자동차의 성능을 의미한다. 

이차전지는 전기차의 동력이 될 만큼 많은 부분에서 개발됐으나, 1회 충전했을 때 짧은 주행 거리 문제와 수명 특성이 해결해야 하는 과제를 가지고 있다. 이를 위해 새로운 전극 활물질 개발에 관한 연구가 매우 활발히 진행 중인데, 이 중에서도 실리콘 산화물계 음극은 높은 비용량(Specific capacity)과 우수한 수명 특성을 갖는 음극 재료로써 흑연계 음극을 대체할 만한 차세대 음극 물질로 기대받고 있다. 

실리콘 산화물계 음극재를 상용화하려면 낮은 초기 효율 문제를 해결하는 게 중요하다. 낮은 초기 효율 문제는 초기 사이클 동안 리튬 실리케이트계 산화물을 형성해 전지 내 가용한 리튬의 소모가 주원인인 것으로 알려져 있다. 하지만 초기에 형성된 리튬 실리케이트계 산화물은 충·방전 중 생기는 부피 변화의 완충재 역할을 해 전지 수명 특성을 향상시키는 역할을 한다. 그렇기에 실리콘 산화물계 음극재의 수명 특성과 초기 효율은 반비례 관계를 가지고 있어 이러한 특성을 동시에 향상시키는 것은 쉽지 않다. 

공동 연구팀은 비정질 이산화규소의 단범위 질서화(Short-range ordering)를 증가시켜 미세구조를 바꾸면 리튬을 소모하는 비가역 반응이 일어나지만 생성물이 기존과 다르게 형성된다는 사실을 알아냈다. 기존에 만들어진 산화물은 리튬을 많이 소모하는 리튬오르토규산염(Li4SiO4)을 주로 만들지만 단범위 질서화를 증가시키면 리튬(Li)과 규소(Si)의 비율이 낮아 상대적으로 리튬 소모가 적은 Li2Si2O5 형태의 생성물을 만들어 낼 수 있다는 것이다.

이를 통해 고효율·장수명을 동시에 구현할 수 있는 실리콘 산화물계 음극재 개발 가능성과 비정질 이산화규소(SiO2) 매트릭스의 미세구조 제어로 고성능 실리콘 산화물계 음극재 개발이 가능하다는 사실을 밝혔다. 이번 연구 성과는 에너지·재료 분야의 저명한 국제학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 최근호에 게재됐다.

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