연세대학교와 LG에너지솔루션이 함께 차세대 배터리 시장의 핵심 기술로 평가받는 ‘실리콘 음극재’ 분야에서 핵심 기술 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.

연세대 화공생명공학과 이상영‧이용민 교수팀은 LG에너지솔루션과의 공동 연구를 통해 충·방전 중 부피가 팽창하는 실리콘 음극재의 기술적 난제를 해결할 수 있는 실마리를 찾으며 기술 완성에 한 걸음 다가서게 됐다고 밝혔다.

이 연구 성과는 최근 전 세계 최고 권위의 과학 저널 중 하나인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 ‘실리콘 음극 열화에 의한 리튬이차전지 분리막의 기계적 손상(Mechanical shutdown of battery separators: Silicon anode failure)’라는 제목으로 게재됐다.

실리콘은 현재 음극재 시장에서 대표적인 차세대 소재로 주목받고 있다. 현재 널리 쓰이는 음극재 소재인 흑연 대비, 에너지 밀도를 기존 대비 10배 이상 향상시켜 전기차의 주행거리를 늘리는 것은 물론 급속 충전 설계에도 유리하다. 또한 경제성, 친환경성이 높다는 것도 장점이다.

하지만 배터리 충·방전 중 부피 팽창이 이뤄져 실제 적용에는 어려움이 많았다. 부피 변화에 따라 셀 구조가 붕괴되거나 분리막에 악영향을 미쳐 배터리의 수명과 용량 확보에 어려움이 크다는 한계가 있었기 때문이다.

연세대-LG에너지솔루션 연구팀은 무기물 기반의 고강도 분리막을 설계하는 등의 방식으로 문제 해결 방안을 찾았다. 기존에는 실리콘 음극 소재에 대한 개선만 진행해서 퇴화현상을 개선하려고 했으나 분리막 등 다른 소재의 조합을 통해 전체적인 배터리 시스템 관점에서 문제 해결의 실마리를 찾은 것이다.

연구팀은 압축 시뮬레이션을 통해 실리콘(Si)의 체적 팽창이 상업용 폴리에틸렌 분리막에 국부적인 압축 응력을 가해 기공 붕괴로 이어진다는 것을 발견했다. 이런 구조적 붕괴는 분리막을 통한 이온 전달을 손상시켜 산화환원 불균일성과 실리콘 분쇄를 악화시킨다.

압축 시뮬레이션은 분리막이 실리콘의 체적 팽창을 견뎌내려면 1GPa보다 큰 탄성률이 필요하다는 것을 발견했다. 이에 연구팀은 고탄성 분리막을 설계해 고면적 용량 파우치형 실리콘이 고속 충·방전 400사이클 후에도 88% 용량을 유지하는 방법을 찾아냈다.  

연세대 이상영 교수는 "이번 연구의 가장 큰 의미는 그동안 배터리 분야의 큰 난제였던 실리콘 음극재의 수명 문제를 해결하기 위해 소재 자체를 넘어 배터리 시스템 전체를 바라보는 혁신적인 접근법을 제시했다는 점"이라며 "이를 통해 향후 배터리 연구 개발에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다"고 말했다.

LG에너지솔루션 김제영 CTO는 “앞으로도 적극적인 오픈 이노베이션 전략을 통해 차세대 배터리 분야에서도 차별화된 기술력으로 세계 시장을 선도해 나갈 예정”이라며 “이를 바탕으로 제품 포트폴리오 다양화와 고객가치를 창출하는데 최선을 다할 것”이라고 말했다.

한편 LG에너지솔루션은 차별화된 배터리 기술력을 보유하고 있는 스타트업을 발굴해 지원하는 '배터리 챌린지', 국내외 유수 대학 및 연구기관과 협력의 장을 여는 '산학협력 콘퍼런스' 등 다양한 오픈 이노베이션 활동을 통해 배터리 분야의 도전 과제들을 해결하고 기술 발전을 가속화하고 있다.